轰炸开始时，正赶上工人下班的时间，当美军的轰炸机编队从东京屋顶飞过时，只见日本人满街跑，许多军事设施和工业目标都在焚烧着。美机尽情地投弹，“圣土”上黑烟滚滚。一架美机轰炸了东京以南的海军造船厂，另一架正炸中2艘建造中的巡洋舰，船坞中的潜艇母舰“大鲸”号也被炸开了一个大洞。
飞临东京的美军轰炸机驾驶员一眼就发现了一个极为诱人的目标——天皇皇宫。但是，每个飞行员都只能严守命令：仅仅轰炸日本本土的军事目标。
空袭东京的整个过程，总共历时仅30秒，当地面发出猛烈的高射炮火时，美军的轰炸机群已安然飞远了。与此同时，除日本首都东京以外，名古屋、大阪、神户等大城市的飞机制造厂、坦克制造厂、钢铁厂、炼油厂、船坞、军需仓库等目标都 不同程度地遭到轰炸。
空袭结束后，杜立特率领轰炸机编队立即从正南方向撤走，然后，向西飞往中国沿海的机场。由于燃油不够，部分美机在浙赣上空弃机跳伞或迫降。
在飞抵东京上空的16架b-25轰炸机的共80名飞行人员中，3人在跳伞时殒命或失踪；8人被日军俘虏，其中3名被枪决，1名死于狱中，另4名战后生还；有1架飞机在海参崴着陆，5名机组人员在苏联境内滞留了13个月后获释；其余人在中国着陆，之后陆续返回美国。
由于成功地对东京进行了袭击，杜立特中校和他生还的战友们都获得了美国政府的嘉奖，杜立特荣获了美国最高国会勋章，并晋升为准将。
美军此次空袭东京，无论是其目的和动机还是其最终造成的实际结果，都可谓是“醉翁之意不在酒”。仅仅投入了16架中型轰炸机，持续了短短30秒钟的空袭作战，摧毁了日本的建筑物90余座，造成50余人死亡，物质上的损失并不很大，然而在精神与心理上，却极大地震动了日本这个世世代代以为其本土绝对不会遭到攻击的国家，给当时骄横、不可一世的日本军界以沉重的心理打击，同时也使在太平洋战争初期连战失利、士气低落的美军乃至整个盟军都为之一振。
不仅如此，此次空袭还对太平洋战场上战局的发展产生了更为深远的影响：它对当时正在悬而不决的中途岛作战方案，起到了“催化剂”的作用，日本海军的高级将领们由于恼羞成怒而对此作出了过激的反应，从而导致了此后在其战略决策上，出现了一系列战略性的灾难。
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