在了解到日本人的上述态度后，杜鲁门又毫不犹豫地向关岛的美空军司令下了最后的命令：“除非另有特殊指示，否则依然按原计划行事。”言下之意是，美军还将在最短时间内——也就是在前苏联人出兵前一天（8月10日），将研制完成的最后一颗原子弹抛向日本本土。
第二颗原子弹为什么偏偏扔在事先并不被美国统帅部看好的长崎呢？这里面有许多不为人知的秘密：
第二颗原子弹是内爆式的钛弹，绰号叫“胖子”。这颗原子弹的投掷日期，最初的计划是8月20日，后来又改为8月11日。8月7日，在轰炸广岛成功的第二天，又从预订的时间表里减去了一天。但是，根据天气预报，8月9日是个好天气，而8月9日以后将有连续5天的坏天气。这就给决策人提出了一个非常简单又非常严峻的问题，要么再提前一天，要么就推迟5天。他们选择了前者。
这是个艰难的选择，这是个冒险的选择。工程技术人员认为，这样干很不可靠。他们警告说，缩短整整两天的时间，将妨碍一系列重要的检查程序。但是“命令就是命令”，他们决定执行。
组装工作的进展很顺利。8月7日夜，“胖子”的内脏部分已组装完毕，紧凑地装进钢壳里，可以上飞机了。8月8日22时，“胖子”像它的哥哥“小男孩”一样，睡进了重型轰炸机B-29的弹舱里。
1945年8月9日，美国在日本长崎又投掷1枚原子弹。此为原子弹在空中爆炸后出现的蘑菇云。8月9日凌晨3时47分，“胖子”在热带暴雨中，伴着闪电划破的朦朦黑夜的亮光起飞了。驾驶载运原子弹的飞行员是查理·斯威内少校。与这架飞机同时起飞的还有2架观察机。
这次轰炸目标主要指定了2个，主要是小仓，其次是长崎。为了尽可能轰炸第1目标，规定不管天气预报如何，轰炸机必须尽量靠近第1目标飞行，只有在肯定第1目标没有进行目视轰炸的可能以后，再飞往第2个目标。为了避免进行摄影的飞机提前到达现场，要求他们在飞过硫磺岛以前，必须与硫磺岛和提尼安岛两地核对情况。如果由于情报不充分而怀疑，摄影飞机就必须把两个目标都拍摄下来。但是，担任照相任务的B-29轰炸机不知什么原因，未能按时赶到屋久岛汇合地点。前两架飞机的驾驶员焦急地在空中盘旋了45分钟，仍未能见到他们的伙伴。最后得到指挥官同意，它们即飞向自己的第1个目标——九州的小仓（这里有日本的重要兵工厂）。
当飞机抵达小仓上空时，由于城市烟雾很浓，飞机在那里环绕了半天，没发现预定目标，而排在轰炸名单上的第3个城市新粱，路途太远，飞去有困难。由于飞行燃料不够，决定飞往机器制造业集中的长崎这个候补目标试投，这时，机上的燃料已不多了，没有再多的选择余地，只能作最后一次行动，再迟延就有可能飞不回去。
长崎是个有20万人口的城市。这个城市建在一些陡峭的小山上。它的港湾面对东海。长崎是寓言传说中风景特别秀丽的港口。市区面朝港湾，浦上河从北面流进该湾。长崎很早就成了日本的主要对外贸易港口，它还有自己的工业区。
10时多，飞机飞到长崎上空，发现这里的天气也不好，云量很浓，目视条件并不比小仓好多少。于是决定采用雷达轰炸。
10时58分，在即将准备用雷达指挥投弹的一瞬间，突然发现云雾中出现了一个小缝隙，随即改为轰炸目标。投弹手瞄准了山谷中的一条跑道投下了原子弹。但是，原子弹并没有投到原定的目标点，而是投到了该目标以北2500米的地方，即浦上河流域，落在两家大兵工厂之间，把两家生产军事物资的工厂炸个粉碎。
轰炸长崎的原子弹从8800米的高度投下。11时2分，长崎出现了异常炽亮的蓝色闪光，先是沉闷的隆隆声，接着刮起一阵狂风。
少顷，又一次颤动。冲击波和震动延续了5分钟的样子。当时，一架日本水上飞机在7000米的高空穿进云层，向长崎飞去。日军飞机从云层钻出来时，驾驶员看到一根巨大的黑烟柱，上面“像一个怪物的脑袋”，不断地向上翻动，不时呈现出各种光怪陆离的色彩。热度很高的烟云也使飞机和机上人员恶心呕吐，并且从拉开的舱盖涌进一些黑色的尘土。
长崎的这一声爆炸，使得7.8万人当场死亡，受重伤的也达到7万人以上。更让人意料不到的是，在受难者当中还有不少外国人，甚至还有不少华人。
当长崎原子弹爆炸后不久，日本军部举行了一次特别会议，他们依然坚持原来的主张：死战到底，决不投降。但日本天皇裕仁则一反常态，他在得知伤亡的人数后，当即便给铃木首相一封信，表示了自己的看法：遵从《波茨坦公告》的一切内容，无条件投降！
8月15日，裕仁天皇抵制住了反对派的种种干扰，亲自在全国广播了投降诏书，表示无条件接受《波茨坦公告》。与此同时，接到投降命令的陆相阿南、前首相近卫文磨则在绝望中相继剖腹自杀，至于头号战犯东条英机，在自杀前一刻被手下发现，抢夺了其手中的手枪才幸免一死，但后来在国际法庭上还是被宣判处以绞刑。
就这样，日本人在美国人的两颗原子弹面前彻底地屈服了，他们接下来要思考的问题是如何在投降的耻辱中获得新生。
那么，如果美国人不扔原子弹的话，结局又会怎样呢？可以肯定的是，日本的失败早在原子弹爆炸之前便已成定局，只是两次大威力的爆炸提前了日本人在投降书上签字的时间。
