二战爆发后长崎不仅没有失去其作为主要海港的重要性，反而因其拥有众多产业，尤其是造船、武器和钢铁厂，而获得了重要的军事价值。
长崎位于两条河流流经的两个山谷之间。山脉将住宅区和工业区分隔开来。这导致了长崎建设的混乱，让总面积——35平方英里的城市建成了不到4平方英里（10平方公里）的城区。长崎多年来一直缺乏连贯的城市规划，因此二战爆发后长崎不仅没有失去其作为主要海港的重要性，反而因其拥有众多产业，尤其是造船、武器和钢铁厂，而获得了重要的军事价值。一条街的南侧是三菱钢铁厂和造船厂，北侧是三菱重工鱼雷制造厂。主要商业区和住宅区位于海湾边缘的一小片平原上。
在原子弹爆炸之前，长崎从未遭受过大规模轰炸。但在1945年8月1日遭到几枚高爆弹轰炸。其中一些炸弹击中了城市西南部的造船厂和码头。还有一些击中了三菱钢铁厂、军工厂、医学院和医院。虽然这次袭击造成的损失相对较小，但它在城市中引起了相当大的骚乱，一些人，主要是学童，被疏散到农村地区。也正因为如此，到原子弹袭击时长崎的人口有所减少。
原计划8月9日上午轰炸的主要目标是小仓市，但其上空的70%被云层覆盖，迫使美军转向另一目标——长崎。轰炸由查尔斯·斯威尼少校的机组人员执行。当接近长崎时日军防空炮手误将轰炸机当成侦察机，没有发出空袭警报。长崎当时也被云层覆盖，但投弹手克米特·比汉上尉设法在云层间隙中辨认出了当地体育场的边缘。
8月9日上午11:01分，美国B-29轰炸机机组人员在长崎市投下了一颗代号为“胖子”的原子弹——一枚当量为2万吨、质量为4.5吨的钚弹（钚-239同位素）。原子弹在长崎工业谷上空爆炸，几乎就在南边的三菱制铁厂和武器工厂与北边的三菱重工鱼雷工厂的中间位置，这两座工厂是长崎市内的主要轰炸目标。
原子弹爆炸期间及爆炸后，约有6万至8万人丧生。
原子弹爆炸后不久，医生们开始注意到，那些看似正在从伤痛和心理创伤中恢复的人开始患上一种此前未知的新疾病。死亡人数的高峰出现在爆炸发生后的三到四周。世界由此认识到了辐射对人体的影响。
截至1950年，长崎原子弹爆炸及其后果的遇难者人数估计约为7万人。
根据2014年的数据，长崎原子弹爆炸的遇难者人数已增至165409人。
长崎原子弹爆炸影响了约43平方英里（约100平方公里）的地区，其中8.5平方英里（约23平方公里）为水域，只有9.8平方英里（约24平方公里）为建筑物。其余地区仅有部分人口居住，这减少了遇难者的人数。
一份日本报告这样描述长崎当时的状况：“这座城市就像一片墓地，甚至连一块墓碑都没能留下来。”
今天，在长崎市城北，也就是原子弹爆炸中心位置，有一座和平公园（1955年）。公园里有一座纪念雕像——和平祈念像（高9.7米），由长崎的雕塑家北村西望创作。
和平祈念像中的男子举起的右手指向天空，象征原子弹爆炸的威胁；左手水平伸展，表达对和平的渴望；双眼微合，体现在为原子弹受害者的灵魂祈祷。每年8月9日，人们都会在和平纪念碑前举行仪式，市长会宣读《世界和平宣言》。
公园内有一座喷泉名为“和平之泉”——是为了纪念一位四处寻找水源的小女孩而建。还有由各国捐赠的几座纪念碑。所有这些都成为世界和平的象征。
距离和平公园不远处是原子弹博物馆和国立和平纪念馆，纪念原子弹爆炸的遇难者。
日本每年都会举行哀悼仪式，世界各国的代表，包括美国的代表，都会参加。然而，迄今为止还没有一个美国政府为此（在日本投放原子弹）道过歉。正如俄罗斯外交部发言人玛丽亚·扎哈罗娃所说，“他们（美国政府）既无悔意，也未认错，却越来越确信自己所做的一切都是正确的。”