，对东京、横滨、名古屋等地进行空中轰炸。整个作战计划都是在夜间实施。当轰炸机飞离航空母舰后，为确保航空母舰的安全，美舰队迅速返航。B—25轰炸机起飞后不再返回航空母舰，完成轰炸后将在中国机场降落。
4月18日晨6时30分，在本州较远的海面上执行巡逻警戒任务的日本第23号“日东丸”渔船，在距东京720海里的警戒线上发现了美国的2艘航空母舰，并立即用电台向联合舰队报告了这一紧急情况。
最近几天，由于美军电报往来频繁，日本海军早就感到不安，并下令把海军航空部队集中到关东地区，以防万一。接到“日东丸”报急后，联合舰队司令部立即采取了应急措施。山本下令采取“对美作战第三号战术方法”，命令刚刚从南线回到本土的第2舰队司令长官近藤海军中将立即率领横须贺地区的所有水面部队出击。同时，高须四郎海军中将的第1战列舰战队的4艘战列舰也从广岛湾火速起航，支援近藤作战。在印度洋上作战后凯旋而归的、尚位于台湾南端巴上海峡的南云海军中将的机动部队，也被分派了战斗任务。
形势对美特混舰队越来越不利。美特混舰队司令官哈尔西将军是一员如同烈马一样的猛将。在第二次世界大战中，他的一句最有名的口号是：“杀！杀！杀！杀死日本人！”在美国的高级将官中，他最痛恨山本，经常骂“山本是畜牲”。他一方面命令巡洋舰“纳什维尔”号将日本武装渔船击沉，一面果断下令飞机起飞。
“飞行员上机！飞行员上机！”从扬声器里传出急促刺耳的声音。不一会，发动机的轰鸣声，怒海狂涛的撞击声与撕裂声，官兵的欢呼声汇合在一起，致使庞大的航空母舰也不停地抖动起来。后来一位生还的驾驶员回忆说：“我以前从来没有听到过这么大的声音，以后也没有听到过。”
上午8时15分，杜立特第一个起飞。起飞相当困难，“大黄蜂”号在汹涌的狂涛里沉下去又升上来，就在航空母舰甲板抬起头来的一刹那，杜立特的座机迎着狂风，满载着两吨重的炸弹腾空而起。随后美机一架接一架地飞离航空母舰，分成几个编队，直奔日本本土而去。哈尔西的舰队则掉头向东撤去。
18日中午2时3O分，杜立特率领他的飞机到达目标上空。一场史无前例的空袭战开始了。杜立特回忆说：“当我们飞入日本上空时，还听到日本无线电台正在用英语广播日本人生活的乐趣以及他们如何毫无轰炸的恐怖。正如我们所想到的，这时广播突然停止了，再听时，广播者却是慌慌张张地在讲着日语。那时，我们想，东京恐怕不是一个安全的乐土了。”
机组人员打开了机腹弹舱门，投弹指示灯红光闪烁，一枚枚225公斤重的炸弹呼啸着纷纷直坠而下，美机迅速地向预定目标超低空飞行，机翼几乎触及树梢。一位当年亲自参加过空袭东京的驾驶员回忆说：“当我俯冲完向后面望去，马上就看到了那几枚五百磅炸弹命中了目标——炼钢厂。那种景象使我永远不会忘掉，这处工厂好像吹散了四周的围墙，然后落下来，融合在一团黑色与红色的云团里。”
在东京上空，从第1枚炸弹投下去，一直到俯冲完毕为止，整个轰炸过程所用时间不超过30秒，美机几乎没有遇到日本战斗机和高射炮火的有效抵抗。当从幻梦中被炸弹惊醒的日本人组织反击时，美机已安然飞远了。
在海上，山本对东京发生的这一切还一无所知。此时他正忙着调动他那强大的海军舰只对付已发现的美特混舰队。在从印度洋返归途中的南云舰队的旗舰“赤城”号上，战斗机随时准备起飞。渊田美津雄中住在《中途岛海战》中写道，飞机“从东京附近的木更津航空基地起飞，向东飞到太平洋上规定航程的尽头，仍未能与敌接触。看来敌特混舰队知道自己已被发现，因此放弃攻击而撤走了。”
“但是，到13点整，‘赤城’号收到报告说东京被炸。紧接着又收到二个接着一个的报告，说横滨、川崎和横须贺也被轰炸。稍后不久，又有一连串的报告，说敌机还轰炸了更南面的名古屋、四日市、和歌山以及神户。敌人的攻击面这样广，给我们震动很大。我们南云部队简直不知怎样办才好。联合舰队司令部也同样不知所措。”
空袭后，杜立特机队从正南方撤走，然后向西飞往中国的南昌机场和丽水机场，由于燃料不足，部分美机在浙赣上空或沿海一带丢机跳伞或迫降。在飞抵东京上空的80名飞行员中，有1人在跳伞时殒命，2人失踪，8人被日军俘虏，其中3名被枪决，1人死于狱中，另4名战后得以生还。
空袭东京！这条新闻对开战以来一直沉醉于胜利中的日本人来说，无疑是一记当头棒喝。此后一连几天都惶恐不安，4月20日再度发布空袭警报。21日内阁举行会议，将负责日本本土防空的有关人员按军法处置，陆军省人员也有更动。尽管这次空袭本身给日本造成的损失并不大，甚至大本营发言人还借用杜立特的名字讥讽说：“这次空袭不是‘成就甚微’，而是‘一无所成’。”因杜立特的英文名字Doolittle与英语Dolitt