原子弹实战应用的准备工作始于1944年夏天。1945年5月至6月，美国第509混合大队进驻太平洋马里亚纳群岛中的提尼安岛。
1945年7月25日，美国总统哈里·杜鲁门批准了一份可能遭受核打击的目标城市名单，其中包括广岛和长崎。第二天，“印第安纳波利斯”号巡洋舰将原子弹运送到第509混合大队的所在地。7月28日，美国参谋长联席会议主席乔治·马歇尔签署了使用核武器的命令。这项由曼哈顿计划负责人莱斯利·格罗夫斯少将制定的命令规定，“在8月3日之后的任何一天，只要天气条件允许”就进行核打击。7月29日，美国陆军战略航空兵司令卡尔·斯帕茨将军抵达提尼安岛，向岛上驻军传达了马歇尔的命令。
首次打击的目标是日本人口数量排名第七的城市——广岛，当时约有24.5万人口。日本陆军第五师团和第二总军的司令部就驻扎在广岛境内。
1945年8月6日，由保罗·蒂贝茨上校指挥的B-29“埃诺拉·盖伊”轰炸机起飞前，三架气象侦察机先行飞往指定区域。在距离轰炸机六至七公里处，一架携带记录核爆参数设备的飞机正在飞行；在70公里处，另一架飞机负责拍摄爆炸结果。
轰炸前一小时，日本预警雷达网记录到数架飞机逼近，但由于数量较少，广岛解除了空袭警报。
上午8时15分，一枚载有铀装药（TNT当量约2万吨）的“小男孩”（Little Boy）原子弹，通过目视瞄准，从1万米高空投向广岛。原子弹在600米高空爆炸。大火在距爆炸中心4公里半径范围内持续了数小时。12平方公里区域内的建筑物被完全摧毁，9万栋房屋中有6.2万栋化为灰烬。8月9日上午11时01分，另一架B-29“博克斯卡”号机组向长崎投下了载有钚装药（TNT当量约2.1万吨）的“胖子”（Fat Man）原子弹。崎岖的地形以及爆炸中心与预定地点（市中心）相距两公里的距离，在一定程度上减少了人员伤亡和破坏。超过50%的受害者死于烧伤，高达30%的受害者死于冲击波损伤，20%的受害者死于瞬时辐射。火灾摧毁了大部分建筑物。
据估计，约有7万至8万人在广岛原子弹爆炸中当场或短期内死亡，另有约7万人在长崎死亡。此后多年，还有数十万人因受到辐射伤害而死亡。
广岛和长崎原子弹爆炸是人类历史上迄今为止仅有的两个核武器实战使用的例子。从军事角度来看，轰炸这两座当时未处于交战状态的日本城市存在争议，因为当时苏联已对日宣战并进军中国东北，击败了百万规模的关东军，加速了抗击日本军国主义（纳粹德国盟友）的胜利。
美国轰炸这两座城市，首先是为了追求政治目标——展示其强大力量，把核武器作为威慑他国的主要手段，试图确保自身战略优势。
1955年8月6日，第一次禁止原子弹和氢弹的国际会议在广岛举行。1985年，南太平洋地区被宣布为无核区（《拉罗汤加条约》）。
广岛已成为反对大规模杀伤性武器的象征。国际社会开始将“广岛日”定为世界废除核武器日。
日本每年都组织“和平火炬传递”。传递队伍沿着连接全国各县的11条路线行进，并于8月6日在位于原子弹爆炸中心附近的广岛和平公园汇集。
为了永远牢记这些事件，“原子弹爆炸圆顶”矗立在广岛——它是1945年8月6日原子弹爆炸后少数未完全倒塌的建筑结构之一。1996年，“原子弹爆炸圆顶”被联合国教科文组织列为世界遗产。
公园的重要组成部分是和平纪念博物馆，里面展出了遇难者的个人物品和记录原子弹爆炸后果的证据。
广岛原子弹爆炸遇难者纪念碑是一座灰色混凝土拱形结构，位于公园的绿荫之中。纪念碑内有一口石棺，里面存放着所有已知遇难者的姓名。“安息吧，过去的错误不会再犯了”的字样刻在碑上。
遇难者名单每年都会更新。截至2024年8月6日，登记在册的遇难者人数为344,306人。
另一座著名纪念碑是为纪念因核辐射病逝的少女佐佐木祯子而建的儿童和平纪念碑。
广岛纪念仪式包括一分钟默哀、放飞和平鸽和敲响悼念钟声。
在仪式上，会放置一份更新后的原子弹爆炸遇难者名单，其中包括过去12个月内去世的“被爆者”的名字。
2010年，时任美国驻日本大使约翰·鲁斯和联合国秘书长潘基文首次出席了纪念原子弹爆炸周年的活动。
2016年4月11日，在七国集团峰会前夕，除美国外的日本、德国、英国、法国、意大利和加拿大外长在广岛和平公园悼念1945年原子弹爆炸遇难者。时任美国国务卿约翰·克里也出席了此次活动，他成为70年来首位到访广岛的美国国务卿。
2016年5月27日，时任美国总统巴拉克·奥巴马首次访问广岛，在和平公园的原子弹爆炸遇难者纪念碑前献花，呼吁世界放弃核武器。然而，这位美国领导人在任期间从未对日本城市原子弹轰炸表示道歉。 2025年4月，广岛市长办公室发言人宣布，今年各国大使馆和其他外国机构将收到出席纪念仪式的通知，而不是像以前那样收到正式邀请函。因此，各国将自行决定是否参加。长崎市政府告诉俄新社，他们打算邀请包括俄罗斯在内的所有在日本设有外交使团的国家和地区参加1945年原子弹爆炸遇难者纪念仪式。
6月26日，俄罗斯驻日本大使尼古拉·诺兹德廖夫向俄罗斯媒体表示，应长崎市长的邀请，他决定参加1945年8月9日长崎原子弹爆炸遇难者纪念仪式。