Amikor az atombomba kidolgozására irányuló Manhattan terv során nyilvánvalóvá vált, hogy a nukleáris fegyver ledobására az amerikai légierőben egyedül a B-29 alkalmas, Tibbets (akkor már) ezredes is tagja lett a történelem első atomtámadására készülő egységnek. A Silverplate fedőnevű hadművelet 1944 elején kezdődött a Los Alamoshoz közeli Wendover légibázison, később az alakulatot áthelyezték a csendes-óceáni hadszíntérre, ahol állomáshelyük a Mariana-szigeteken található Tinian lett – olvasható a Múlt-kor történelem-folyóirat honlapján, ahol még több információt olvashatunk Tibbetsről.
A később a hirosimai bombát ledobó B-29 gép nyolc gyakorló repülést hajtott végre, július végén két, a japán fő szigetek elleni bombázásban is részt vett. Július 26-án az Indianapolis cirkáló fedélzetére megérkezett Tinianba a Little Boy (Kisfiú) néven emlegetett atombomba. Augusztus 5-én Harry Truman elnök engedélyezte az atomfegyver bevetését Hirosima ellen, másodlagos célpontnak Kokurát és Nagaszakit jelölték ki. A küldetés parancsnokának még aznap Tibbets ezredest nevezték ki, aki gépét édesanyjáról Enola Gaynek nevezte el. A nevet augusztus 5-én este felfestették a bombázóra, és a bombatérben elhelyezték a 3,6 m hosszú, 0,7 méter széles és 4,4 tonnás Little Boyt.
1945. augusztus 6-án hajnalban hét bombázó szállt fel Tinianról. Az elsőként induló három gép az időjárás-felderítést (azaz a célpontok feletti felhőzet kiterjedésének megállapítását) végezte. Az Enola Gayt kísérő három gép egyike a robbanást vizsgáló tudósokat vitt, a második a fotózást végezte, a hetedik bombázó volt a tartalék. Az Enola Gay legénységét Paul Tibbets ezredes, parancsnok és pilóta, Robert Lewis másodpilóta, Thomas Ferebee bombázótiszt, Theodor Van Kirk navigátor, Jacob Beser radarspecialista, William „Deak” Parsons fegyvermérnök, Maurice Jeppson fegyvermérnök-helyettes, Joe Stiborik lokátorkezelő, Richard Nelson rádiós, George Caron faroklövész, Wayne Duzenberry repülőmérnök és Robert Shumard repülőmérnök-helyettes alkotta.
Az Enola Gay 8 óra 15 perckor, 9400 méter magasságban oldotta ki a bombát. A 17 ezer tonna TNT-vel egyenlő hatású Little Boy 600 méteres magasságban robbant fel, és az ég felé szökött a ma már oly’ rettegett gombafelhő. A robbanás körzetében 1,2 kilométeres sugarú körben minden a földdel vált egyenlővé, az áldozatok számát 70 ezer és 135 ezer közé teszik. Az Enola Gay indulása után 12 órával, délután 3 órakor szállt le Tinianon, ahol hatalmas tömeg, köztük újságírók és fotósok várták, Tibbets ott helyben megkapta a Szolgálati Érdemkeresztet.
Tibbets többször is úgy nyilatkozott: soha nem bánta meg az atombomba ledobását, mert hazafiúi kötelességét teljesítette. „Háború volt... Háttérbe kellett szorítanunk az érzéseinket. Tudtuk, hogy válogatás nélkül fogja pusztítani az embereket. De csak az az egy cél lebegett a szemem előtt, hogy a lehető legjobban hajtsam végre a feladatot, hogy minél előbb véget érhessen a gyilkolás” – nyilatkozta még halála előtt két évvel is. Paul Tibbets 2007. november 1-jén, 92 éves korában szívroham következtében hunyt el. Végrendelete értelmében hamvait a La Manche csatorna fölött szórták szét, nyughelyét nem jelöli fejfa – ezzel akarta megakadályozni, hogy sírja az atombomba ellenzőinek zarándokhelyévé váljon.