杜鲁门做出对日本进行原子轰炸的决定后，美国509大队开始为原子轰炸积极进行战前准备。根据气象情况和日军防御情况，美军决定8月6日投掷第一枚原子弹，以广岛为轰炸目标。并依次以小仓和长畸两座日本城市为替代目标。蒂贝茨上校及其机组人员还在正式投弹前夕，驾机前往目标地熟悉地形、地貌，进行模拟轰炸训练。
8月6日，美军完成了轰炸广岛的最后准备。一枚长4.5米，粗70厘米，重4吨，被美军官兵戏称为“小男孩”的原子弹，像一截粗香肠，被搬进载机弹舱。在它的蓝色外壳上，涂有美国女影星丽塔·海沃思的半裸照片以及写给日本天皇的几句粗鲁话。为安全起见，原子弹未装起爆器，这一工作将在飞机起飞后，由专家在空中最后完成。
8月6日黎明，3架美军气象飞机率先升空，飞往目标区，发回了广岛天气晴好的报告。2点40分，蒂贝茨上校登上飞机，滑向跑道，驾机吼叫着冲上寂静的夜空。随同起飞的还有观测机和指挥机。三机在高空编队，排成品字形，隆隆飞向日本本土。