Dalam peperangan di atas udara Eropa, Tibbets dikenal sebagai pilot yang handal, maka militer AS kemudian memintanya untuk pulang ke AS dan bertugas sebagai test pilot pesawat pengebom terbaru AS, B-29 Superforttresses.
Pada bulan Agustus 1945, Tibbets dan timnya dipercaya oleh pemerintah AS untuk menerbangkan B-29 Enola Gay dan melepaskan bom atom ke daratan Jepang,
Saat itu, Tibbets yang baru berumur 30 tahun dan karena pretasinya di medan tempur telah berpangkat Kolonel.
Setelah melakukan latihan dan persiapan matang, B-29 Enola Gay sukses melepaskan bom atom di Hiroshima dan mengakibatkan 70.000 orang tewas serta 100.000 lainnya luka-luka.
Bom atom yang dijatuhkan di Hiroshima merupakan bom nuklir pertama yang digunakan dalam perang.
Sementara bom atom kedua yang dijatuhkan di kota Nagasaki pada 9 Agustus 1945 juga mengibatkan bencana yang luar biasa.
Tapi Tibbets tidak ikut dalam misi pengeboman yang kedua itu.
Pasca PD II, Tibbets yang menjadi sosok perhatian dunia, menyatakan tidak menyesal atas misinya mengebom atom Hiroshima.
Ia berpendapat jatuhnya bom atom di Jepang yang kemudian menghentikan PD II telah menyelamatkan jutaan nyawa prajurit Sekutu.
Tibbets juga tetap aktif sebagai anggota AU AS (USAF) dan baru pensiun pada tahun 1966 dengan pangkat Brigadir Jenderal.