广岛时间上午8时15分，投弹手费尔比说"我找到了"，这表明"艾诺拉·盖"号正在目标点上方。早已熟悉广岛标志性建筑物的科克确定费尔比是正确的，于是原子弹被投下，在广岛相生桥东南方的广岛病院上空600米处爆炸。《纽约时报》称，科克的导航技能使"艾诺拉·盖"号投放原子弹时间只比预定计划晚了几秒。这是人类历史上首次在军事行动中使用原子弹，美军机组人员事先也不知道这种武器的威力究竟有多大。在原子弹投下43秒之后，科克看到爆炸引发的亮光。机长蒂贝茨立即命令"艾诺拉·盖"号在空中紧急转弯，试图尽快飞离广岛，但爆炸引发的冲击波仍波及轰炸机，产生强烈震动。刚开始机组人员还以为遭到日军高射炮攻击，稍后才发现是原子弹冲击波。科克说："整个城市那时被烟、灰尘和污垢所覆盖，可以看到大火在城市边缘燃烧。"当时他有一种如释重负的感觉，觉得战争快要结束了。
当天下午2时58分，执行完任务的这架轰炸机安全返回天宁岛基地，机组成员受到热烈欢迎。科克晚年在接受美国佐治亚州公共广播电台采访时说，比起美军持续空袭日本本土和计划发起登陆战役，核袭广岛和长崎其实挽救了很多人的生命。如果战争继续下去，日本本土和其他日军占领区将蒙受巨大损失。
