2月20日，搭载着舰载机群的“列克星敦”号航空母舰准备偷袭拉包尔，但由于被日军侦察机提前发现，加之此时正值太平洋战争初期阶段，美国海军也应节省资源，于是放弃了此次偷袭。4天后，哈尔西袭击了威克岛。4月4日，“企业”号航母舰载机轰炸了马尔库斯岛。4月10日，海军中将威尔逊·布朗指挥“列克星敦”号和“约克城”号航母上的舰载机袭击了新几内亚港口城市萨拉马瓦和莱城。
在当时，美国陆军航空队上校詹姆斯·杜立特主张，美军轰炸机群应从航母上起飞对日本实施打击，这样既可以提振盟军士气，又可以迫使日军分散兵力保卫本土。起初，该方案遭到普遍反对，大家认为其可行性微乎其微，因为大型双发动机 B-25型轰炸机从甲板上起飞的难度很大，载机数量极为有限。与此同时，当时的中国政府也反对该项计划，担心美军飞行员完成任务后降落中国境内，有可能导致日军对中国人实施猛烈报复。不过，该计划最终得以通过，因为向敌人发动反攻的呼声更高。总体而言，杜立特是一个富于进攻精神的人，他在30年代离开美国陆军航空司令部，后来预料到美国将会卷入欧洲的战争，便于1940年重新返回陆军服役。
美国海军派出2艘航母作战，由第16特混编队护航。“大黄蜂”号负责运送轰炸机，姊妹舰“企业”号提供战斗机掩护和反潜保护。“大黄蜂”号的自卫能力很弱，因为轰炸机一旦起飞将不能再次返回机库，且甲板上的轰炸机非常密集。按照计划，美军轰炸机在完成突袭任务后将不能返回原航母上，而是继续飞往中国大陆降落。此次作战计划被称作“香格里拉计划”，因其和香格里拉这个天外梦幻般的城市有着异曲同工之妙。计划十分保密，直至实施前一天，才有7个人知道作战意图，就连美国总统富兰克林·罗斯福本人，也是在计划启动前才从海军上将欧内斯特·金那里了解全部的。
“大黄蜂”号满载着16架B-25轰炸机离开珍珠港，当时，几乎所有人都认为它仅仅是用来运输飞机的，谁也没料到这是一次作战飞行。这些双发动机轰炸机体型太大，不能停在下面机库内，只好停放在甲板上方。日军无线电侦察部门4月10日探测到2艘美军航母正准备会合的信号，但没引起足够重视。不过，别说是2艘美军航母，即便是3艘，日军在海岸上也应付得了。他们早在距离日本本土700英里以外安排了警戒哨舰，美国海军舰载机若要发起进攻，航母必须进抵300英里以内海域。一旦美舰越过警戒线，就会遭到日军第26航空游击编队的69架轰炸机的猛烈攻击。
日军过于自负，他们的航母主力完成袭击锡兰后正在回程途中，4月19日才能到达本土海域。另外3艘正在攻击摩尔斯贝港，留在本土海域只有“加贺”号航母，但该舰当时尚未形成战斗力。如果日本人能够更加有效地使用好航母，那么，渊田美津雄试图进行一次舰队航空作战的抱负也许就能早点实现，这是因为，当时美军的“大黄蜂”号毫无还手之力。
4月10日以后，这支美军舰队屏蔽了所有的无线电信号，从而使得日军无法掌握其确切位置。美军指挥官威廉·哈尔西海军上将明白，一旦越过日军警戒线就会暴露自己，因此做出决策：4月18日上午，战舰一穿过警戒线必须立即行动，否则，美军航母的处境将极其危险。于是，在距离东京550英里的海域，美军轰炸机编队从海上起飞，航母开始迅速回撤。哈尔西的决定非常明智，实际上日本人根本没发现美军舰队已经穿越警戒线。当日军侦察机报告说空中出现16架轰炸机时，居然没有人相信，他们一贯认为美军航母上没有搭载双发动机飞机。
日本人所犯的这个错误，酷似美军夏威夷雷达站在珍珠港事件中所犯下的错误。在杜立特的率领下，美军16架B-25轰炸机轻而易举就突破了日军防线，飞行高度仅为150英尺，成功躲过了10000英尺上空飞行的日军战斗机的监视。当然，日军飞行员绝对没有想到，美军居然能对日本本土发动袭击，自始至终，没有一架美机被击落。
美军轰炸的目标包括东京、横须贺和名古屋，造成了一定程度的恐慌，他们空投炸弹，用机枪扫射，死者之中还包括2名学生。美军轰炸机完成任务后飞往中国境内降落，但由于降落场条件不理想，所有飞机均在紧急降落中严重受损甚至毁坏。总体而言，轰炸机的降落地点极为零散，曾有一架没能降落中国境内，而是“友邦”苏联境内，全体机组人员被苏军逮捕。更不幸的是，另有2架轰炸机降落在被日军占领的汉口附近，机上全体人员被俘，驻上海的日军司令官向东京汇报情况后，东京方面命令将俘虏押回日本处死，替死去的两名学生复仇。由于抓到了几名美军战俘，日本政府便自吹自擂说成功击落了9架轰炸机。
不过，这次袭击在战争初期却极大地鼓舞了美国人的士气，如果再来一场更大的战役胜利，美国人就会重新找回自信。当然，也有一些美国人批评这次袭击纯属有勇无谋，白白浪费几架轰炸机不说，还搭上了几位富有经验的飞行员的性命。同时，这次袭击行动，还证明了中方的预见，日军在浙江和江西两省展开疯狂报复，血腥屠杀了25万人之多。
此次行动，唯一美中不足的地方在于，美军没能集中力量轰炸目标，加之轰炸机数量有限，每架轰炸机只带4000磅的炸弹，所以打击效果也极其有限。但是，这次袭击却迫使日军增强本土防守力量，并使其海军战略有所收敛，以免本土及整个帝国再次被袭。不过，倘若此次集中轰炸东京，特别是天皇皇宫的话，势必给日本人的心理造成更深刻影响。接下来，形势的发展果然不出美国人所料，山本五十六排除了更加冒险的作战路线，不再以夺取斐济、萨摩亚群岛而后夏威夷为路线，达到阻挠美军步伐、隔绝澳大利亚与美国的联系的目的，从而切实减轻了美国人的压力。不管怎么样，轰炸行动极大地鼓舞了美国人的士气，说明不管日本距离美国有多远，也不会在美国的猛烈轰炸中安然无恙。
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