轟炸開始時，正趕上工人下班的時間，當美軍的轟炸機編隊從東京屋頂飛過時，隻見日本人滿街跑，許多軍事設施和工業目標都在焚燒著。美機盡情地投彈，“聖土”上黑煙滾滾。一架美機轟炸了東京以南的海軍造船廠，另一架正炸中2艘建造中的巡洋艦，船塢中的潛艇母艦“大鯨”號也被炸開了一個大洞。
飛臨東京的美軍轟炸機駕駛員一眼就發現了一個極為誘人的目標--天皇皇宮。但是，每個飛行員都隻能嚴守命令:僅僅轟炸日本本土的軍事目標。
空襲東京的整個過程，總共曆時僅30秒，當地麵發出猛烈的高射炮火時，美軍的轟炸機群已安然飛遠了。與此同時，除日本首都東京以外，名古屋、大阪、神戶等大城市的飛機製造廠、坦克製造廠、鋼鐵廠、煉油廠、船塢、軍需倉庫等目標都不同程度地遭到轟炸。
空襲結束後，杜立特率領轟炸機編隊立即從正南方向撤走，然後，向西飛往中國沿海的機場。由於燃油不夠，部分美機在浙贛上空棄機跳傘或迫降。
在飛抵東京上空的16架B-25轟炸機的共80名飛行人員中，3人在跳傘時殞命或失蹤;8人被日軍俘虜，其中3名被槍決，1名死於獄中，另4名戰後生還;有1架飛機在海參崴著陸，5名機組人員在蘇聯境內滯留了13個月後獲釋;其餘人在中國著陸，之後陸續返回美國。
由於成功地對東京進行了襲擊，杜立特中校和他生還的戰友們都獲得了美國政府的嘉獎，杜立特榮獲了美國最高國會勳章，並晉升為準將。
美軍此次空襲東京，無論是其目的和動機還是其最終造成的實際結果，都可謂是“醉翁之意不在酒”。僅僅投入了16架中型轟炸機，持續了短短30秒鍾的空襲作戰，摧毀了日本的建築物90餘座，造成50餘人死亡，物質上的損失並不很大，然而在精神與心理上，卻極大地震動了日本這個世世代代以為其本土絕對不會遭到攻擊的國家，給當時驕橫、不可一世的日本軍界以沉重的心理打擊，同時也使在太平洋戰爭初期連戰失利、士氣低落的美軍乃至整個盟軍都為之一振。
不僅如此，此次空襲還對太平洋戰場上戰局的發展產生了更為深遠的影響:它對當時正在懸而不決的中途島作戰方案，起到了“催化劑”的作用，日本海軍的高級將領們由於惱羞成怒而對此作出了過激的反應，從而導致了此後在其戰略決策上，出現了一係列戰略性的災難。