1945年4月，为了确定轰炸的城市，美国“曼哈顿工程”的负责人与陆军航空兵的专家组成目标选定委员会，要从日本城市中挑出4座，2座为首要轰炸目标，2座作为备选。

最初的候选名单由美国陆军航空兵战略航空参谋长诺斯塔德准将(Lauris Norstad)开列， 17个日本城市依次为：东京、川崎、横滨、名古屋、京都、大阪、神户、广岛、吴、下关、山口、八幡、小仓、熊本、福冈、长崎、佐世保。

从军队的角度来说，目标重要性越高，震慑效果越好。但这是人类第一次原子弹实战，遴选的标准要综合文物保护、科研、战后管理等因素，尤其是对原子弹现实破坏性的测量。

因此，城市当时被破坏的程度至关重要，程度越小，越可以准确评估原子弹的威力。其次，投放城市不能太大，也不能太小，最好将破坏控制在一定范围，更方便美军专家事后评判其威力。这样，东京、大阪、名古屋这几座面积大、同时已破坏严重的城市就剔除了。佐世保、吴等小城市也随后被删除。

多方考虑后，5月10日至11日，委员会选定了第一批城市：

这些目标都有共同的特征：

1.军事、工业潜力高，要么是军备供应和生产中心，要么是重要的指挥部或军队集结地。

2.城市直径在4.8公里以上。

3.地形平坦，爆炸冲击波的效果可以得到充分发挥。

战局时刻变化，讨论也更加细致，委员会在5月28日选定了新的目标城市，并与军队协调——投放原子弹之前，禁止对这些城市常规轰炸。这四座城市(按轰炸的优先级排列)是：

1.京都，日本的故都，100万人口的巨大工业城市，其他日本城市已严重破坏，大量人口和机器设备都迁往京都，它成为战争后期最重要的军事生产中心。

2.广岛，日军指挥中枢之一，第二军总区司令部所在地(日本本土只有两个军总区，第一军总区司令部在东京)，同时是日本陆军最大的集结地，从中日甲午战争时期开始，参加日俄战争、吞并朝鲜、出兵山东、出兵满洲、侵略中国大陆和东南亚的日军部队绝大多数都在广岛市区的宇品港登船出发，因此这里有规模巨大的军需品、军火仓库、码头设施，此外城东还有铁路中转枢纽和军火制造、船舶维修等重工业设施。

3.小仓，小仓兵工厂所在地，厂区长达1.3公里，宽0.8公里，附近还有铁路车辆厂、机械工厂和发电厂。

4.新澙，濒临日本海的重要工业城市，拥有一座炼铝厂、一座巨大的钢铁工厂、一个重要的炼油厂和一个油港码头。

但是“曼哈顿工程”负责人格罗夫斯把这份名单提交给马歇尔时，遭到了陆军部长亨利·史汀生的反对。史汀生在20世纪初担任菲律宾总督，期间多次造访京都，对这座优雅而美丽的千年古城感情很深，京都传统而悠久的文化给他留下了深刻印象。史汀生称，京都对日本人有巨大的感情价值和宗教意义，如果将其毁灭，将给战后管理带来很大的困难。

格罗夫斯显然不接受这个理由。他反驳道，京都市区里有264公顷已查明的和195公顷待查明的工业区，正在生产机床、精密机械、飞机零件，以及无线电和火控仪器，是最有价值、最重大的军事目标。但史汀生坚持己见，并向马歇尔力陈不可轰炸京都的文化、政治理由。

马歇尔实际认为是否轰炸京都无关紧要，在他的计划中，即使不用原子弹，几个月后也得用燃烧弹和高爆弹轰炸。无奈的史汀生找到了杜鲁门总统，劝说他将京都从名单中划掉，并继续禁止对其常规轰炸。杜鲁门同意了。

但是，美国军方和科学家仍然坚持京都为首要目标，他们列举了一条十分实际的理由：京都坐落在盆地中，街道都是方形网格状，最适合评估原子弹轰炸效果。7月21日，陆军部向在波茨坦开会的杜鲁门总统发去电报，请求把京都重新加入轰炸名单，结果被拒绝。

7月24日，作为京都的替代品，长崎被列入原子弹轰炸名单。但是这里地形多山，并不能很好地测试原子弹的效果，所以，1945年7月25日，杜鲁门最终下达对日进行原子弹轰炸的指令时，目标城市的优先级为：广岛、小仓、新潟、长崎。

8月6日，美军对广岛进行了第一次原子弹轰炸。

8月9日，美军准备对第二目标小仓投弹，并将长崎作为备选。但小仓的天气十分不利，装有原子弹的轰炸机“博克之车”在云层上空穿梭了3次仍未找到缺口，最后向第二目标长崎飞去。

10时58分，比汉瞄准了预定轰炸目标——三菱重工长崎船厂以北2.5公里的长崎市中心体育场跑道，扔下了原子弹“胖子”。“胖子”的爆炸当量比“小男孩”大，但长崎地形三面环山，所以损失小于广岛。