9 sierpnia Amerykanie wykonali kolejny nalot. Tym razem dokonał tego, również należący do 509. Grupy Tibbetsa, B-29 o nazwie „Bockscar” (od nazwiska jego dowódcy Fredericka Bocka). Samolot wystartował z Tinianu o 3:47, a jego pierwszym pilotem był mjr Charles W. Sweeney. O wiele bardziej złożona implozyjna bomba plutonowa „Fat Man” spadła na Nagasaki. Pierwotnie celem miała być Kokura, jednak zbyt duża pokrywa chmur uniemożliwiająca celowanie optyczne oraz coraz bardziej aktywna japońska obrona przeciwlotnicza nad miastem, spowodowały zmianę obiektu ataku.
Bombowiec (pomimo 50 minut oczekiwania nie spotkał się nad Yakushimą ze swoją eskortą) skierował się nad cel rezerwowy – Nagasaki. Pogoda nad tym miastem była lepsza, jednak bomba nie została zrzucona precyzyjnie. Również tu zastano chmury i ostatecznie wybuchła ona ok. 3 km od planowanego celu, nad dzielnicą Urakami, w której znajdowała się między innymi katolicka katedra. Bomba wybuchła o 11:02 czasu lokalnego z siłą ocenianą później na 22 kilotony TNT.