首先要决定的是原子弹的轰炸目标。军方和国务院事先已共同提出了一份可供选择的17个目标的清单，包括：东京、京都、横滨、名古屋、大坂、神户、广岛、小仓、福冈、长崎、新?、佐世保等。"选中的目标应该是符合下列条件，"史汀生说，"如果这些地方遭到轰炸，将最严重地影响日本人的作战意志。这些目标应该是军事性的，或是有重要的司令部，或是部队的集中地，或是军用设备的供应和生产中心。为准确估计原子弹的效果，这些目标应该是没有被空袭毁坏过的。"他说完环视了一下四周，目光落在了一位面露难色的空军上校身上。"上校先生，我想听听您的意见。""部长阁下，事实上像您所说的这类以前未被空袭的目标已经很少了，一些目标之所以未遭到大规模轰炸，是因为日本人将盟军的战俘营设在了城市中，或是紧靠在城市边上，而且我们缺少这方面准确的情报。"
的确，美国人的轰炸机几乎光顾了日本所有的大中城市。东京是一个可能的目标，但它实际上已被炸遍了，除了皇宫庭院依然完好外，东京已是一片瓦砾。新?、佐世保、广岛等城市之所以保存较好，是因为空军得到情报，说日军将大量战俘关押在城市中，而美军又不知战俘营的确切位置。"现在首要的问题是要把已经研制好的原子弹尽早投到日本，尽快结束这场战争，"史汀生沉思了一会儿说，"战争每进行一天，我们的代价都是惨重的。所以，其他问题都是次要的。"
看来，史汀生已经没有精力再去考虑战俘问题。最后，代表们终于定下了3条原则：第一，目标大小必须是方圆超过3英里的中等以上市区，且有重要目标；第二，要能够被原子弹的冲击波有效破坏；第三，8月以前不大可能被空军轰炸。记录员的笔无情地圈上了广岛、小仓、新?、长崎这4座城市。广岛是重要的军事基地和起运港，小仓有数座日本重要的兵工厂......而且这4座城市均未遭受过大规模破坏。
空投的日期主要是考虑天气的因素，日本7月份多云天较多，8月份会好一些，9月份又开始变坏。当然日本1月份气象条件最好，上空能见度高，便于轰炸，但谁也不愿等那么久。
会议结束后，杜鲁门总统很快得到了研究报告，他在与英国首相丘吉尔磋商后决定：尽快使用原子弹轰炸日本，为了达成突然性，轰炸前不透露轰炸性质。
很快，第509混成大队便接到了美国战略空军司令斯帕茨的命令："在1945年8月3日以后，气象条件允许时，尽早对下述目标之一投掷原子弹。目标是：广岛、小仓、新?、长崎。"
这时，绰号为"小男孩"和"胖子"的原子弹已运到了提尼安岛，所需部件由"印第安纳波利斯"号巡洋舰于7月29日送到，同时来的还有精通原子弹内部结构的帕森斯上校，他将负责原子弹的安装，并将随同第509混成大队完成空投任务。
7月27日至8月1日，美国出动飞机在日本各大城市上空散发印有《波茨坦公告》的传单，传单上警告说：如果不接受《波茨坦公告》，将受到更加猛烈的轰炸。
在原子弹轰炸广岛16小时之后，杜鲁门总统向全世界发表声明，宣称美国已对日本使用了原子弹，其爆炸威力相当于2万吨TNT炸药。如果日本仍不接受美国的条件，一股从未见过的破坏性激流将会从天而降，地球上从未有过的毁灭性打击将要降临到日本头上。第2天，日本各大城市都见到了美国飞机撒下的印有杜鲁门讲话的《告日本人民书》。
广岛的毁灭给日本朝野带来极大震动，以东乡外相为首的几名内阁成员，建议日本停战，接受《波茨坦公告》。但这一意见遭到了日本军方的激烈反对，他们辩解说：日本军队士气高昂，数百万军队渴望打仗，即使政府宣布停战，他们也可能拒绝投降。两派意见相持不下。
就在日本内阁一次次开会就是否停战问题进行争论的时候，美国已准备投掷第2颗原子弹了。美国政府担心广岛原子弹爆炸会激起日本人的抵抗意志，同时害怕这次轰炸会被看作是黔驴技穷，于是决定使用"胖子"。目标定为小仓。
第2次空投任务落到了第509混成大队斯威尼机组身上。斯威尼曾率领他的机组驾驶"艺术大师"号观测飞机在广岛轰炸中担任轰炸效果观测任务。由于这次"艺术大师"号上仍保留着科学仪表，将再次当作观察机使用。斯威尼只好用另1架B-29飞机--"博克之车"作为原子弹载机。8月9日凌晨3点39分，"博克之车"装载着"胖子"从提尼安机场起飞向日本飞去。斯威尼一次次地祷告，希望自己和保罗·蒂贝茨一样幸运。
