到了傍晚时分，美军的一切准备都已就绪。这天晚，杜立特中校就召集了全体参战飞行员举行战前动员会议，他向大家讲述了关于这次轰炸行动的相关细节，并且严厉地要求道：“你们所有人都必须仔细地检查一遍自己带飞机的物品，绝对不可以把跟‘大黄蜂’号有关的任何东西带飞机，以免给日本佬留下把柄，出动舰队追击我们的航母编队。”
杜立特中校停顿了一下，环顾周围众人，看大家都在仔细认真地听着，于是才又接着说道：“我将驾驶轰炸机首先起飞，在进行轰炸的时候，你们必须以我所投掷的燃烧弹引发的火光作为指示目标。”最后，杜立特中校特别强调了两点，“第一，无论在何种情况下都不要飞往苏联虽然这时候美国和苏联之间已经建立了军事同盟关系，但彼此还是深怀戒心；第二，绝对不能轰炸日本皇宫和普通民房等非军事目标这倒不是美国人讲究什么人道主义，而是害怕日军更大规模的报复。”
4月1日清晨，硕大的太阳就像透亮的红色圆盘一样，从东边的海平面逐渐升起，日本海军第5舰队征用的“日东丸”23号渔船，这时候正在东京以东720海里的警戒线进行巡逻。突然，这条武装渔船的船员们吃惊地发现，有一支舰队正在向日本本土急驶，船长急忙用望远镜进行观察，确认是美国的航母舰队。与此同时，美军“维森斯”号重巡洋舰的雷达手和嘹望哨也同时发现了这艘“日东丸”23号渔船，舰长戴维斯?杨校立刻向哈尔西中将报告了这一情况。
正所谓怕什么就来什么，最让美国人担心的事情终于还是发生了。哈尔西中将在得到杨校的报告之后感到非常恼火，不过这时候他仍然还抱有一丝希望，但愿美军舰队还没有被这艘日本渔船给发现。于是，哈尔西中将命令道：“在证实我军被发现之前，特混舰队继续向着预定起飞海域航行。”在哈尔西中将看来，这次的空袭是带有一种悲壮色彩的自杀性攻击行动，他想尽可能地把杜立特中校和他的飞行员们，运送到距离日本海岸更近的地方，这样他们在轰炸之后成功到达中国的机会就会更大，生还的希望也会更大。
然而，就在几分钟之后，无情的现实很快就把哈尔西中将的希望给击碎了，“大黄蜂”号的无线电报务员路易斯?李士，截获了“日东丸”23号渔船发给日军大本营的电报，电文称：“0630在犬吠崎位于东京以东的千叶县境内以东650海里处发现3艘米国航母米国是日本人对于美国的称呼，而3艘航母则是‘日东丸’23号的误判。”
特混舰队的气氛这时候骤然紧张了起来，事已至此，如果仍然死抱原定计划不变，那显然是凶多吉少。如果继续拖延下去，一旦遭到日军舰队的围攻，那么后果必将不堪设想。哈尔西中将没有其他的选择，即使距离预定起飞地点还有150海里之遥，但是他现在率领的是太平洋舰队50%的航母作战力量，一旦出现任何损失，那么美国在这之后还将会付出更大的代价，他没有权力拿整个特混舰队和几千名官兵的宝贵生命去冒险。
午点钟，哈尔西中将签署了一个无奈但是正确的命令：“放飞轰炸机，致杜立特中校和英勇的美军飞行员，祝大家好运，愿帝保佑你们！”
“大黄蜂”号舰长米切尔校在接到哈尔西中将的命令之后，面色严峻地将其交给了站在身边的杜立特中校，无奈地说道：“你明白这样做的原因，中校。”
杜立特中校点点头表示自己明白，他沉声说道：“我们立即起飞。”这时候，乔治也走过来动情地对杜立特中校说道：“中校，一定要平安回来，我还等着和你一起并肩战斗，彻底消灭日本佬呢！”
“会的，乔治，会有那么一天的。”杜立特中校满怀信心地走出了“大黄蜂”号的舰桥指挥室，进入飞行员休息室，对待命的伙伴们说道：“我的朋们，出发！”
“飞行员机！飞行员机！”很快，从“大黄蜂”号的广播里面传出了急促刺耳的声音，紧接着，飞机发动机的轰鸣声，怒海狂涛的撞击声，美军官兵们的狂呼声迅速交织在一起，致使体型庞大的航母也不停地抖动着。
点15分，杜立特中校第一个发动了B－25轰炸机的引擎，飞机颤巍巍地迎着狂风，满载着将近2吨重的炸弹，犹如一台升降机似地腾空了。杜立特中校在“大黄蜂”号空绕了一圈，在校正罗盘、检查航向之后，便带着尖锐的呼啸声消失在遥远的天际。紧接着，是第二架“胡佛”，第三架“格雷”，第四架“霍尔斯特罗姆”这些都是美军飞机的绰号……
到了9点20分，16架B－25轰炸机全部升空，向着预定目标飞去。当最后一架轰炸机飞离“大黄蜂”号之后，哈尔西中将不敢久留，立刻下令：“特混舰队改变航向，转弯90度，以25节速度离开这里。”
或许是冥冥之中自有天意，就在最后几架轰炸机飞离“大黄蜂”号的时候，东京开始了一次防空演习。这次演习的气氛十分松懈，连空袭警报都没有拉，只有几十架日军战斗机在空中拉架式、显本领，市内许多高楼都系着五颜六色的警报气球，但是市民们不但没有进防空洞，反而扶老携幼地在大街观看飞机翻跟头。这与其说是一场演习，倒不如说是一场防空表演更合适。此时，在很多日本人心目中，都觉得这只不过是多此一举。因为现在大日本皇军不仅在支那地区，而且在东南亚和太平洋都取得了一连串的胜利，就连美国人的屁股也可以随便摸一摸。珍珠港一战，不就是把他们打得一败涂地了吗？总之，大日本皇军是不可战胜的，大日本帝国是惹不起的！
到了中午时分，演习结束，大部分阻拦气球都收了下来，只有3架战斗机在东京空懒洋洋地盘旋着。时任日本首相的东条英机，当天中午乘坐一架飞机前去视察水户航空学校，当飞机正准备在机场降落的时候，却突然从右边飞来了一架双引擎飞机。东条英机的秘西浦赖户大佐觉得这架飞机“样子挺怪”，等到飞机飞近了，就连飞行员的脸都可以清楚地看得见的时候。西浦赖户大佐才猛然醒悟过来，大喊道：“米国飞机！是米国飞机！”东条英机也顿时大惊失色，不禁吓出了一身冷汗。可惜由于当时B－25轰炸机的机炮都被拆掉了，只是用被漆黑的木棍代替，要不然杜立特中校他们就还有可能为这次空袭增加额外的战果。
12点30分，杜立特中校率领的轰炸机群终于到达了东京空，玩兴正浓的东京市民，看见头出现了一批大型飞机，开始不断地向空中招手致意，高声欢呼。因为这时候的美军飞机还是蓝圈白星红心的旧式机徽，特别是中间的红色圆心，远远看去很象日军的太阳标志，所以被误认为了日军飞机，而且当时的日本人也根本想象不到美军飞机敢于主动前来轰炸。
美军轰炸机迅速扔下了炸弹，他们没有遭到战斗机或者高射炮的有效抵抗。除了弹着点及其附近的人们之外，东京的市民都以为美军飞机的这场空袭只不过是逼真的防空演习的**部分。只是当爆炸震撼着东京，滚滚浓烟升起的时候，他们才知道这是真正的轰炸！
趁着日本方面还没有彻底反应过来的时候，参与轰炸的16架美军飞机就已经扬长而去了。其中1架受伤飞往海参崴，之后被苏联扣留。其余15架飞机均飞往中国，目标是中国浙江的衢州机场，但是由于起飞时间比原计划更早，造成燃料不足，再加黑夜降临，所有飞机均没有准确到达目的地，而是散落在浙江、江苏、安徽等地，75名机组人员中，有3人在飞机迫降时遇难，人跳伞在日本占领区而被日本俘虏，其中有4人幸存到二战结束。
杜立特中校在跳伞之后降落到了浙江临安的农田里，之后被中国农民救起，他用乔治教他的半生不熟的中国话说道：“我是在天打鬼子的！”于是杜立特中校成功得救了，他和其他63名机组人员都被中**民护送到了重庆大后方，最后大部分人都辗转回到了美国。
美军轰炸机“光顾”东京，致使日本举国下极为惊恐。战争狂人东条英机对海陆军未能加以防范大发脾气，他认为这是“皇军的耻辱”。联合舰队司令山本五十六海军大将对此更是又惊又愧，他把追击美军舰队的任务交给参谋长宇垣缠海军中将去指挥，自己则躲在房间里不肯出来，侍从们从未见过他的脸色如此苍白，精神如此颓丧。
不过除了破坏几十座建筑物和造成数十名平民的死亡之外，美军的这次空袭并没有造成多大的实际损失。虽然空袭的军事价值并不大，但是政治意义却是十分明显的，从某种角度来说，这次轰炸主要考虑的就是政治因素而非军事意义。尽管美军轰炸机给日本方面造成的破坏远不及珍珠港事件中美国的损失，但是它对日本人心理的震动和打击是不可低估的，这和当初英国皇家空军轰炸柏林有异曲同工之妙。而且，这次行动也为美军航母编队的快速作战提供了一场有意义的尝试。