À 2 h 45, le matin du 6 août 1945, Enola Gay prit difficilement son envol à cause du poids important de la bombe (environ 4 tonnes). La mission comprenait six autres B-29 pour les mesures, les reconnaissances et les photographies :
Le bombardier ne rencontra aucune résistance ennemie et atteignit sans encombre les côtes japonaises. Précédé par Straight Flush qui provoqua une alarme à Hiroshima, Enola Gay eut le feu vert pour l'attaque. Les Japonais levèrent l'alerte car seuls trois avions s'approchaient à haute altitude et semblaient se diriger vers une autre ville.
Armée en vol par Parsons et Jeppson, la bombe fut larguée à 8 h 15 min 17 s sur Hiroshima avec seulement 17 s de retard sur l'horaire prévu. À 8 h 16 min 2 s (heure locale), après 43 secondes de chute libre, elle explosa à 580 mètres au-dessus de la ville occasionnant immédiatement 70 000 victimes, nombre porté à 200 000 suite aux conséquences des radiations. Enola Gay s'était déjà éloigné après avoir effectué un virage serré de 158 °. Les membres de l'équipage, protégés par des lunettes, purent assister à l'explosion et rentrèrent à Tinian où ils furent décorés pour leur mission.
L’Enola Gay est exposé dans l'annexe du National Air and Space Museum à Washington.