4月18日晨6时30分，日本海军接到一艘监视艇发来的电报：“发现敌航空母舰3艘，位于犬吠岬以东1100公里处！”犬吠岬在东京以东100多公里，也就是说，敌人的航母距离东京尚有1200多公里。
日本海军对美军的武器装备性能非常熟悉，他们很清楚，美军的“无畏”式舰载轰炸机的作战半径只有700公里，要空袭东京的话，美军航母必须继续向东京的方向行驶500公里，而美军航母行驶500公里的路程需要十几个小时时间。因此，日本海军做出判断：美军航母将在晚上或者第二天凌晨发动攻击。
5小时以后，11时30分，日本海军出动3架飞机搜索美军航母。根据时间推算，美军的航母此时应该位于东京以东1000公里处，但是日军的这3架飞机并没有发现美军航母。12时45分，日本海军又出动了53架飞机向东搜索。
15分钟后，日本首相东条英机乘坐的飞机从东京起飞，他要去视察水户航空学校（东京东北100多公里）。就在这时，随行的秘书西浦大佐突然发现一群双引擎飞机从右侧向东京上空飞来，与东条英机的座机擦肩而过。这些飞机的模样怪怪的，跟平时见到的飞机不太一样。西浦大佐突然一拍大腿：我靠，这是美军的飞机！然而，这些飞机已经飞到了东京上空，现在说什么都晚了！
按照日本海军的推算，此时美军航母应该在东京以东900公里之外，它们的“无畏”式舰载轰炸机至少还要等5个小时之后才能起飞，为什么东京上空突然出现了美军的飞机？这些飞机是从哪里来的？
日本海军的计算非常准确，但是他们没想到美国人不像他们那么死板。难道只有舰载机才能在航母上起飞？陆基轰炸机同样可以在航母上起飞！美军的B-25轰炸机载弹量1360公斤，几乎是“无畏”式舰载轰炸机的两倍，经过简单改装后也能在“大黄蜂”号航空母舰上起飞。不过，B-25的载弹量虽然高，它的航程与“无畏”式舰载轰炸机相比却相差无几，即使它能够从航母上起飞，航母仍然需要行驶到东京以东700公里处，这样的话很容易受到日本海军的攻击。然而美国人灵机一动：我们的飞机从航母上起飞以后，航母立即返航，飞机轰炸东京之后不再回航母而是飞往中国降落！这样不就可以保住航母了？
就在上午8点的时候，距离东京1400公里的海面上（与日方监视艇的报告存在差距），“大黄蜂”号航空母舰上的B-25轰炸机带着巨大轰鸣声一架接着一架飞向天空。9时，16架B-25全部起飞，美军航母编队立即调头向东全速返航。
13时，B-25轰炸机群到达东京上空。它们飞得很低，几乎是贴着树梢飞行，由于没有拉响防空警报，东京的市民把这些轰炸机当成了日军的飞机，他们不断向这些轰炸机挥手致意，一些儿童在地面上欢呼雀跃。突然，几十枚炸弹从空中飞下来，准确地命中一座炼钢厂。发电厂、炼油厂、造船厂、飞机制造厂也是攻击目标，B-52轰炸机群按照预定计划从容不迫地轰炸了它们。东京陷入一片混乱，惊慌失措的人们四散奔逃。这是美国人的复仇行动，他们要让珍珠港的惨剧在东京上演。
横滨、川崎、横须贺、名古屋、四日市、和歌山、神户也遭到了空袭。防空警报在B-25轰炸机投下炸弹之后才响起，等日军的战斗机起飞的时候，美军轰炸机已经扬长而去，飞向中国南昌和丽水机场。此时，山本五十六联合舰队的各个战队还在海面上徒劳地搜寻美军的航母编队，而美军航母编队远在东京以东1600公里之外，山本五十六即便知道他们的位置也追不上，只能望洋兴叹！
这些B-25轰炸机除了一架飞往海参崴之外，其余都飞向了中国。当它们进入中国境内的时候燃油已经耗尽，没能到达预定的机场，75名机组人员被迫跳伞，其中1人遇难，2人失踪，64人被游击队及时营救，8人被日军俘虏。被日军俘虏的8人遭到严刑拷问，3人被枪决，1人死于狱中，其余4人战后得以生还。降落到海参崴的5名机组人员被苏联关押了13个月以后释放。
说实话，美军的这次空袭并没有给日本造成严重损失，但是日本陆军、海军的高级将领们却无地自容，颜面尽失。他们一直吹嘘帝国军队是神勇无比、不可战胜的，敌人是不堪一击的，结果话音未落，美军的飞机飞到首都来了！这些轰炸完之后拍拍屁股走了，日军的飞机追都没追上！更让他们感到羞愧的是，他们追了两天也没有追上美军航母，绞尽脑汁也想不明白美军的航母是怎么消失的以及这些飞机怎么飞过来的！
经过一个星期的严刑拷打，他们从美军俘虏那里知道了事情的真相。恼羞成怒的日军把怨气全部撒在了中国人身上，“在后来的几个星期中，约有25万中国农民被屠杀。10万日本兵在乡村烧、杀、奸、掳，野蛮和凶残不亚于南京大屠杀”。中国仅仅因为同意美军飞机降落在国境内而付出了惨重的代价。
美军对东京的空袭行动更加坚定了山本五十六占领中途岛的决心。山本五十六认为“