8月2日午后，蒂贝茨携同投弹手托马斯·费雷比少校，抵达关岛驻扎的空军第20航空队司令部，向李梅将军进行任务汇报。

李梅将军体型矮胖，带领二人至设有地图的桌前，看着广岛最新的侦察图像，并征询费雷比关于最佳投弹位置的意见。费雷比指出位于日本第2军团司令部西南部的市中心T形桥作为目标，李梅将军对此表示赞同。当日下午3时，一项执行原子弹攻击的绝密指令——“第13号特殊轰炸任务”正式发布，定于8月6日执行。

指令明确广岛市内工业区为主要攻击目标，小仓兵工厂为备选目标，长崎则为第3目标。指令特别强调，投弹过程必须依赖目视判断，严禁使用雷达辅助。此次行动将出动7架B-29轰炸机，其中1架预先飞赴硫磺岛待命，以备“安诺拉·盖伊”号不测之需；两架负责为蒂贝茨的飞机护航至目标区域；一架负责记录影像资料；一架执行空中实验，投放三个携载观测仪器的降落伞，以收集爆炸后的数据；其余三架则负责各目标区域的气象监测。8月4日下午3时，蒂贝茨召集执行此次任务的7名机组人员召开会议，并邀请核武器专家、该炸弹设计团队核心成员狄克·帕森斯发表讲话。帕森斯以谨慎措辞避免泄露敏感信息，但仍难掩紧张情绪，他指出：“你们即将投放的炸弹，是战争史上的全新武器，其破坏力前所未有，预计将在半径5公里范围内造成几乎全面毁灭。”此言一出，听众皆感窒息般的压抑。随后，帕森斯简要介绍了“曼哈顿工程”，并播放了沙漠基地试验的影片，尽管画面质量欠佳，但他依据记忆详细补充了试爆情况，令在场人员深感震撼，连蒂贝茨亦不例外。帕森斯还提醒机组人员佩戴防护镜等安全装备，并特别警告飞行员，在任何情况下均不得穿越爆炸产生的蘑菇云。会议尾声，蒂贝茨向机组发表讲话，重申佩戴护目镜的重要性，并宣布新的无线电呼号为“酒涡”。8月5日，下午3时30分许，位于“第509混合大队”基地内的炸弹贮藏室，其环境舒适且配备空调。一枚重达5吨的原子弹，代号“小男孩”，在此被谨慎地装载至链式吊车上，并平稳转移至一辆专用拖车上。这枚原子弹的核心部件，即由“印第安纳波利斯”号巡洋舰历经艰辛，跨越大洋，以船员的生命为代价运送的“关键物资”。炸弹外壳上，以粉笔简单书写着对日本及裕仁天皇的不祥祝愿，以及对蒂贝茨机组成功的热切期盼。

随后，这枚炸弹在庄重的仪式下，被覆盖上防水帆布，运往半英里外的机场，并被安置于预定的弹坑内。此时，负责运载的飞机——“安诺拉•盖伊”号被牵引至炸弹上方。通过专业吊车，“小男孩”被精准吊入飞机的前弹舱，并用特制缆绳牢牢固定。值得注意的是，此时炸弹尚未完全装配完毕。鉴于帕森斯（代号“法官”）曾亲眼目睹多起飞机起飞时的事故，他担忧此次任务同样存在风险，一旦发生意外，可能导致整个岛屿遭受重创。因此，他向法雷尔建议，待飞机起飞后再进行最后的装配。法雷尔迅速向华盛顿的格罗夫斯将军发送电报，通报了这一请求：“法官要求在起飞后进行装配。”接到电报后，格罗夫斯虽感震惊，但鉴于其身处本土，难以即时干预。当日12时15分，蒂贝茨率领机组人员前往随军牧师处进行祈祷。牧师引领他们低头默祷，言辞恳切：“哦，永恒的上帝，您是万物的救赎者。您已扫除希特勒法西斯，挥动巨臂，使墨索里尼也归于尘土。现在，您的孩子们正肩负着伟大的使命，为捍卫美利坚合众国，为尽快结束这场战争而奋斗。请赐予他们力量，保佑他们胜利归来。”祈祷结束后，他们前往食堂享用传统的登机前加餐。随后，众人返回宿舍休息，但内心的激动与紧张让他们难以入眠。有人提议通过玩扑克来消磨这最后的时光。凌晨1时37分，随着钟声的敲响，这一决定人类命运的时刻悄然临近。3架气象侦察机自北机场的不同跑道同步升空，标志着行动的序幕正式拉开。22分30秒后，“安诺拉·盖伊”号及其两架护航机的机组人员刚刚乘车返回起飞区域，即被一场盛大的迎接场面所包围：弧光灯、泛光灯交相辉映，发电机轰鸣，摄像机与摄影师林立，电影导演与摄影记者穿梭其间，构成了一幅热闹非凡的景象。此环节乃格罗夫斯将军精心策划之重要一环，旨在记录下这一历史性时刻。可部分科学家对此安排表达了强烈的不满，认为其过分张扬，无异于市井喧嚣。2时20分，最后一张合影定格瞬间，众人竭力掩饰内心的紧张与忐忑，以满面笑容示人，营造出轻松愉悦的氛围。

随后，蒂贝茨机组的12名成员逐一踏上舷梯，步入前舱。正当此时，格罗夫斯的助手法雷尔将军发现狄克·帕森斯遗漏了重要物品：“你的枪呢？”狄克迅速从旁借得一枪，佩于腰间，旋即登机。此行规定，每位机组人员均需携枪，而蒂贝茨的飞行服口袋内，更藏有一只小金属盒，内置12粒氰化物胶囊，以备不时之需，执行上级赋予的极端情况下的自杀指令。凌晨2时27分，北提尼安指挥塔向“安诺拉·盖伊”号发出滑行与起飞指令：“酒涡82，北提尼安指挥塔命令沿A跑道向东起飞。”2时45分（东京时间8月6日凌晨1时45分，华盛顿时间8月5日上午11时45分），蒂贝茨转向副驾驶罗伯特·刘易斯上尉，果断下令：“出发！”“安诺拉·盖伊”号承载着超乎寻常的负载，包括32000升汽油，于洒满燃油的跑道上艰难滑行。滑行距离已过跑道三分之二，速度却仍显迟缓，机组人员互递忧虑之色。“飞机过重！”罗伯特上尉高呼，“拉升——立刻！”蒂贝茨上校沉默不语，继续让飞机滑行，坚定地向前，直至起飞的一刻。继续前行，直至跑道末端隐约可见，仿佛大地即将被无尽的虚空吞噬。就在这一刻，当辽阔海洋骤然映入眼帘之时，蒂贝茨果断地将飞机拉升，避免了可能的灾难。指挥塔上的法雷尔将军目睹此景，不禁冷汗涔涔，心跳加速，暗自惊叹：“这飞机所需的起飞距离超乎寻常，我几乎要相信蒂贝茨无法让它翱翔天际。”凌晨3时整，“安诺拉•盖伊”号已攀升至1,500米高空。此时，机组新成员帕森斯上校悄然走至蒂贝茨身后，轻拍其肩以示鼓励：“行动开始。”蒂贝茨沉稳地点头回应。随后，帕森斯携助手杰普森上尉步入弹舱，他掏出一份详尽的11项检验清单，借助杰普森手中的电筒光亮，逐一核查并安装原子弹的最后几个关键组件。杰普森则如同手术台上的助手，精准传递每一件工具，整个场景宛如一次高空中的精密外科手术。3时15分，帕森斯着手向“小男孩”原子弹内填充炸药，并连接起爆管，随后安装了装甲钢板与尾板。为确保万无一失，他故意留下一条至关重要的电路未连接，计划在投掷前完成这一关键步骤。东京时间4时44分，2架护航机与“安诺拉•盖伊”号编队飞行，蒂贝茨引领着V形编队如刀尖般锐利。

但是，关于目标城市——广岛、小仓、长崎中的哪一个将承受这场灾难，众人皆不得而知，紧张的氛围弥漫于整个机组。飞越本州海岸时，天气状况极佳。蒂贝茨冷静地将飞机平稳飞行，直指广岛。此时，气象侦察机的最新预报传来：广岛上空晴朗，能见度极佳，而小仓则条件不佳。6时30分，海军上尉杰普森在弹舱内完成了炸弹起爆装置最后一个电路的连接，所有准备工作就绪。他随即通知帕森斯，帕森斯又迅速向蒂贝茨报告。蒂贝茨通过机载通讯系统，向全体机组人员庄严宣布：“我们将要投下人类历史上的第一颗原子弹！”此言一出，多人激动得几乎窒息，这是他们首次亲耳听到“原子弹”这一令人心悸的词汇。8月6日7时25分，历史性的时刻即将来临。气象侦察机发回重要情报，由伊瑟利少校驾驶，其在广岛上空执行侦察任务期间，未发现日本飞机拦截，且地面高炮火力微弱。伊瑟利少校汇报指出：“各高度云层覆盖率均低于30%。建议优先考虑此区域。”领航员范柯克随后报告：“我们正逐步接近广岛。”紧接着，他再次确认：“广岛已近在眼前。”蒂贝茨通过通讯设备通知全体机组人员：“下方即为广岛。”透过云层间隙，蒂贝茨与帕森斯清晰地观察到城市轮廓显现于飞机之下。蒂贝茨询问帕森斯：“你是否同意将此地作为投放目标？”帕森斯给予了肯定的答复。随后，蒂贝茨通过通讯设备下达命令：“全体人员准备投弹，请佩戴护目镜。”8时13分30秒，投弹手费雷比开始操控飞机，他此前已对目标照片进行了详尽研究。此刻，广岛市中心的T型相生桥迅速进入其瞄准器的十字线中，这座钢筋结构的桥梁，配有数十根高约1.5米的石栏杆，显得异常坚固。

“目标已锁定。”费雷比确认道。蒂贝茨再次强调：“再次校对目标，护目镜准备。”8时15分17秒，炸弹舱门自动开启，费雷比大喊：“炸弹已投放！”由于瞬间减轻了5吨重量，飞机随即向上攀升，摇晃不定。蒂贝茨迅速指挥飞机进行60度俯冲及150度右转以规避潜在风险。原子弹在自由落体后，弹头指向目标，稳定下降，完成了其历史性的使命。