前期准备
日本在偷袭珍珠港后的六个月内，先后拿下新加坡、菲律宾、缅甸、新几内亚和所罗门群岛，并且在印度洋围攻英国皇家海军，而此时的苏联又与日本签署了中立条约。为鼓舞盟军士气，时任美国总统罗斯福表示，应尽快组织一次就日本的报复性打击。
1942年1月，美国海军舰队总司令任命已退役的航空兵中校杜立特负责空袭东京的行动。所以该行动也称为“杜立特空袭”。
1942年3月1日，24架改装好的B-25轰炸机和这24架飞机的机组人员前往佛罗里达州，进行为期三周的高强度训练。
1942年3月31日，16架最终确定参加任务的B-25陆续飞往阿拉米卡，航母大黄蜂号也随后抵达。
在甲板上挤满16架B-25的大黄蜂号从旧金山出发后，所有参与行动的人员才被告知此次行动的具体内容。
每架B-25轰炸机都配备了4枚特别定制的炸弹：3枚填装高爆炸药和1枚子母燃烧弹。这种燃烧弹在投出机舱后会分散开，大面积燃烧目标（日本的建筑材料大多是木头）。
空袭东京
1942年4月18日清晨7时38分，大黄蜂舰队在距离日本本土还有650海里的地方被日军巡逻船发现，而此时舰队尚未到达预定的起飞地点。
因担心被接到警报的日军拦截，杜立特决定所有B-25立即起飞，比原计划提早了十个小时，所有B-25将要多飞310公里，这也许是一场有去无回的轰炸。
16架B-25轰炸机在一个小时之内全部成功起飞。他们为了躲避雷达贴近海面低空飞行6小时后，于正午时分飞抵日本上空。在轰炸了东京的十个军事目标之后，沿着日本南部海岸飞往中国。
原计划，他们将降落在中国浙江境内几座尚未被日军占领的机场，加油后再飞往国民党战时首都——重庆。值得庆幸的是，在飞往中国的航程中他们始终是顺风，否则他们根本无法在七小时内抵达中国。
16架B-25·任务之后
1号机：下午0:30对东京北部工厂投弹，接着飞往中国。晚上9:30分由于遇上浓雾、燃油耗尽，机组人员被迫跳伞，在中国百姓的护送下安全搭机返回美国。
2号机：紧随1号机后，对两栋弹药库投弹后，向西飞往中国。同样未找到机场，成功迫降在一片水稻田中，机组人员在步行三天后，得到游击队员的帮助，最终抵达重庆。
3号机：下午0:40对东京工业区的钢铁厂、化工厂进行了轰炸，接着飞往中国。飞入浙江境内，未找到机场，燃油耗尽后弃机跳伞，其中一人不慎跌落悬崖丧生。剩余四人得到中国百姓的帮助，加入“飞虎队”继续战斗。
4号机：刚抵达东京南部上空就遭到4架日军战斗机的突然攻击，此时地面也出现了高射炮火，不得已将炸弹扔入东京湾后，飞往中国。飞入江西境内后，燃油耗尽，全员弃机跳伞，全部安全着陆。
5号机：抵达东京上空时同样遭到高射炮射击，遂放弃预定目标，直接对发电站和工厂投下炸弹，之后飞往中国。飞入衢州上空后，全员弃机跳伞，全部安全着陆。
6号机：成功找到预定目标并实施了轰炸，之后调转机头飞往中国，但还没有抵达陆地上空燃油就已快耗尽，只好决定在海上迫降。两人不幸溺水身亡，剩余三人游到岸上，在中国百姓的帮助下试图前往安全地区，但被日军发现被捕，饱受严刑拷打。其中两人被日军执行枪决，一人在二战即将结束前才被营救出狱。
7号机：在飞入东京市中心上空后遭到高射炮的猛烈炮击，轰炸了目标厂房后迅速抽身，飞往中国。由于夜幕降临、能见度低、燃油耗尽，他们只好迫降海面，虽然都有负伤，但得到了及时的救治，并在中国游击队的帮助下顺利抵达安全地带。
8号机：由于引擎问题，燃油消耗过快，但仍然找到预定目标投下了炸弹。之后他们发现剩余燃油无法让他们撑到中国，只好飞往苏联，着陆之后即被苏联当局扣押。十三个月后，他们才成功逃脱，通过英国驻伊朗大使馆，几经辗转后搭机返回美国。
9号机：虽然也遇到炮击，但是高效轰炸了预定目标后，径直飞往中国。抵达中国上空后，也不得不弃机跳伞，在中国百姓的帮助下，全员抵达安全地区。
10号机：虽然遭到9架战斗机的拦截，但仍然成功轰炸了预定目标，之后被猛烈的炮火击中，机身被打出了一个直径18厘米的大洞。顽强地飞入中国境内后燃油耗尽，弃机跳伞，全员抵达安全地区。
11号机：虽然一开始偏离了航线，但最终找到了预定目标，完成了轰炸。在飞入中国内陆后，全员弃机跳伞，经过当地百姓的救治后，抵达安全地区。
12号机：进入日本上空后，同样遭到了炮火的猛烈攻击，而预定目标横滨造船厂上空由于漂浮着气球，无法接近投弹，于是将炸弹投向了港口的炼油厂。飞入中国境内后，全员弃机跳伞，在当地百姓的协助下，抵达安全地区。
13号机：在炮火的猛烈攻击下，仍然找到了预定目标横须贺海军基地，准确命中正在建造的“大鲸”号甲板后，飞往中国。在中国境内弃机跳伞，全员安全着陆，抵达安全地区。
14号机：对名古屋附近的兵营和三菱飞机制造厂投弹后，飞往中国。轰炸效果很好，全员成功在江西上空弃机跳伞，安全着陆，并抵达安全地区。
15号机：对神户钢铁厂等目标进行了轰炸，之后飞往中国。在浙江附近海面迫降，乘救生筏上岸，在东躲西藏几天后与7号机人员会合。
16号机：由于最晚出发，抵达日本上空时受到了炮火的猛烈攻击。原计划轰炸大阪，但是却飞到了名古屋，尽管遇到日本战斗机的拦截，但还是轰炸了大型油库和飞机制造厂。在飞入中国后，燃油耗尽，不得已弃机跳伞，不幸降落在日占区，五人全部遭日军俘获。其中两人被枪决，三人直到1945年8月才被营救出来。
这些空袭后着陆在中国的机组人员大多数都得到了中国百姓的帮助，最终抵达安全地区，而中国人民也为此付出了惨痛的代价。日军为了搜出空袭的美国飞行员，甚至动用了细菌武器，据估计被杀害的中国百姓多达25万人。
一名被中国百姓救起的飞行员在回忆录中写道：
“我不断想起那些勇敢坚忍的中国男女……他们救起的那些人中，有人会一遍又一遍地轰炸日本。”
一场小胜利的重要性
虽然杜立特空袭不久，遭到轰炸的设施就陆续修复，但空袭的消息一经发出，盟军上下一片欢腾，这也给处于抗战期间的中国军民带来了希望。
杜立特空袭也迫使日本为了防守本土，将印度洋上的舰队召回了日本，解除了英国皇家海军的压力，也使战备物资得以顺利运抵印度后再运往中国。