2月20日，搭載著艦載機群的“列剋星敦”號航空母艦準備偷襲拉包爾，但由於被日軍偵察機提前發現，加之此時正值太平洋戰爭初期階段，美國海軍也應節省資源，於是放棄了此次偷襲。4天后，哈爾西襲擊了威克島。4月4日，“企業”號航母艦載機轟炸了馬爾庫斯島。4月10日，海軍中將威爾遜·布朗指揮“列剋星敦”號和“約克城”號航母上的艦載機襲擊了新幾內亞港口城市薩拉馬瓦和萊城。
在當時，美國陸軍航空隊上校詹姆斯·杜立特主張，美軍轟炸機群應從航母上起飛對日本實施打擊，這樣既可以提振盟軍士氣，又可以迫使日軍分散兵力保衛本土。起初，該方案遭到普遍反對，大家認為其可行性微乎其微，因為大型雙發動機 B-25型轟炸機從甲板上起飛的難度很大，載機數量極為有限。與此同時，當時的中國政府也反對該項計劃，擔心美軍飛行員完成任務後降落中國境內，有可能導致日軍對中國人實施猛烈報復。不過，該計劃最終得以通過，因為向敵人發動反攻的呼聲更高。總體而言，杜立特是一個富於進攻精神的人，他在30年代離開美國陸軍航空司令部，後來預料到美國將會捲入歐洲的戰爭，便於1940年重新返回陸軍服役。
美國海軍派出2艘航母作戰，由第16特混編隊護航。“大黃蜂”號負責運送轟炸機，姊妹艦“企業”號提供戰鬥機掩護和反潛保護。“大黃蜂”號的自衛能力很弱，因為轟炸機一旦起飛將不能再次返回機庫，且甲板上的轟炸機非常密集。按照計劃，美軍轟炸機在完成突襲任務後將不能返回原航母上，而是繼續飛往中國大陸降落。此次作戰計劃被稱作“香格里拉計劃”，因其和香格里拉這個天外夢幻般的城市有著異曲同工之妙。計劃十分保密，直至實施前一天，才有7個人知道作戰意圖，就連美國總統富蘭克林·羅斯福本人，也是在計劃啟動前才從海軍上將歐內斯特·金那裡瞭解全部的。
“大黃蜂”號滿載著16架B-25轟炸機離開珍珠港，當時，幾乎所有人都認為它僅僅是用來運輸飛機的，誰也沒料到這是一次作戰飛行。這些雙發動機轟炸機體型太大，不能停在下面機庫內，只好停放在甲板上方。日軍無線電偵察部門4月10日探測到2艘美軍航母正準備會合的信號，但沒引起足夠重視。不過，別說是2艘美軍航母，即便是3艘，日軍在海岸上也應付得了。他們早在距離日本本土700英里以外安排了警戒哨艦，美國海軍艦載機若要發起進攻，航母必須進抵300英里以內海域。一旦美艦越過警戒線，就會遭到日軍第26航空遊擊編隊的69架轟炸機的猛烈攻擊。
日軍過於自負，他們的航母主力完成襲擊錫蘭後正在回程途中，4月19日才能到達本土海域。另外3艘正在攻擊摩爾斯貝港，留在本土海域只有“加賀”號航母，但該艦當時尚未形成戰鬥力。如果日本人能夠更加有效地使用好航母，那麼，淵田美津雄試圖進行一次艦隊航空作戰的抱負也許就能早點實現，這是因為，當時美軍的“大黃蜂”號毫無還手之力。
4月10日以後，這支美軍艦隊屏蔽了所有的無線電信號，從而使得日軍無法掌握其確切位置。美軍指揮官威廉·哈爾西海軍上將明白，一旦越過日軍警戒線就會暴露自己，因此做出決策：4月18日上午，戰艦一穿過警戒線必須立即行動，否則，美軍航母的處境將極其危險。於是，在距離東京550英里的海域，美軍轟炸機編隊從海上起飛，航母開始迅速回撤。哈爾西的決定非常明智，實際上日本人根本沒發現美軍艦隊已經穿越警戒線。當日軍偵察機報告說空中出現16架轟炸機時，居然沒有人相信，他們一貫認為美軍航母上沒有搭載雙發動機飛機。
日本人所犯的這個錯誤，酷似美軍夏威夷雷達站在珍珠港事件中所犯下的錯誤。在杜立特的率領下，美軍16架B-25轟炸機輕而易舉就突破了日軍防線，飛行高度僅為150英尺，成功躲過了10000英尺上空飛行的日軍戰鬥機的監視。當然，日軍飛行員絕對沒有想到，美軍居然能對日本本土發動襲擊，自始至終，沒有一架美機被擊落。
美軍轟炸的目標包括東京、橫須賀和名古屋，造成了一定程度的恐慌，他們空投炸彈，用機槍掃射，死者之中還包括2名學生。美軍轟炸機完成任務後飛往中國境內降落，但由於降落場條件不理想，所有飛機均在緊急降落中嚴重受損甚至毀壞。總體而言，轟炸機的降落地點極為零散，曾有一架沒能降落中國境內，而是“友邦”蘇聯境內，全體機組人員被蘇軍逮捕。更不幸的是，另有2架轟炸機降落在被日軍佔領的漢口附近，機上全體人員被俘，駐上海的日軍司令官向東京彙報情況後，東京方面命令將俘虜押回日本處死，替死去的兩名學生復仇。由於抓到了幾名美軍戰俘，日本政府便自吹自擂說成功擊落了9架轟炸機。
不過，這次襲擊在戰爭初期卻極大地鼓舞了美國人的士氣，如果再來一場更大的戰役勝利，美國人就會重新找回自信。當然，也有一些美國人批評這次襲擊純屬有勇無謀，白白浪費幾架轟炸機不說，還搭上了幾位富有經驗的飛行員的性命。同時，這次襲擊行動，還證明了中方的預見，日軍在浙江和江西兩省展開瘋狂報復，血腥屠殺了25萬人之多。
此次行動，唯一美中不足的地方在於，美軍沒能集中力量轟炸目標，加之轟炸機數量有限，每架轟炸機只帶4000磅的炸彈，所以打擊效果也極其有限。但是，這次襲擊卻迫使日軍增強本土防守力量，並使其海軍戰略有所收斂，以免本土及整個帝國再次被襲。不過，倘若此次集中轟炸東京，特別是天皇皇宮的話，勢必給日本人的心理造成更深刻影響。接下來，形勢的發展果然不出美國人所料，山本五十六排除了更加冒險的作戰路線，不再以奪取斐濟、薩摩亞群島而後夏威夷為路線，達到阻撓美軍步伐、隔絕澳大利亞與美國的聯繫的目的，從而切實減輕了美國人的壓力。不管怎麼樣，轟炸行動極大地鼓舞了美國人的士氣，說明不管日本距離美國有多遠，也不會在美國的猛烈轟炸中安然無恙。
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