該計劃選擇了中型轟炸機B-25B和最新的航空母艦大黃蜂，並在當年飛行速度世界紀錄保持者中校·詹姆斯·杜利特爾的領導下完成。為此對B-25B進行了改裝，去掉了所有不必要的設備，增加了壹個油箱和壹門用於偽裝的木炮。1942年2月3日，兩架B-25B在大黃蜂上成功起飛，證明了這壹計劃的可行性。此後，17轟炸機大隊的誌願者組成了24套機組。這些空勤人員只知道他們將完成壹項非常危險的秘密任務。機組人員花了壹個月的時間，在跑道上標註的模擬飛行甲板上練習短距起飛和滑行，大黃蜂甲板上的中線標記和陸地跑道上的壹樣。
1942年4月2日，大黃蜂在6艘船的護送下，下載了杜立特爾的機組人員和16 B-25B，告別舊金山金門大橋，興風作浪，向西飛馳。4月14日，大黃蜂穿越北太平洋風暴區，在阿留申群島和中途島之間的指定地點與哈爾西的企業號會合。“麥克特遣隊”——此次任務的代號——在陰沈的海面上向九州海岸以西400英裏的目標海域進發。在宣布了這次任務的目標後，所有的工作人員都歡呼雀躍，雷鳴電閃。途中，專案組收到東京電臺這樣的廣播:“英國路透社報道，三架美國轟炸機轟炸東京。這消息太荒謬了。日本國民不在乎這種宣傳，在和煦的陽光和櫻花的芬芳中享受春天。”日本的不知情增強了船員完成任務的信心。
4月17日下午，“麥克特遣隊”距離起飛點僅24小時，仍未被敵人發現。大黃蜂上的甲板人員對B-25B做了最後壹次檢查。每架飛機都攜帶四枚500磅的炸彈，米切爾上校的勛章都綁在炸彈上。炸彈還說“我們不想燒世界，我們只想燒東京”。傍晚，雷達發現日本海上警戒線最外層的哨艇，艦隊改變航向。4月18日上午7點30分剛過不久，壹艘敵船發現了特混艦隊，其無線電報警被艦隊收到。幾分鐘後，前衛號巡洋艦用炮火擊沈了小型服務艇。杜利特爾和哈爾茜決定立即起飛。即使他們多飛了100英裏，他們也不能拿艦隊冒險。這絕對是壹個正確的決定。雖然日本防線即將進入戒備狀態，但日本人不會料到那天會遭到攻擊。
“讓杜利特爾和他勇敢的中隊起飛吧。壹路順風，上帝保佑！”哈爾茜向大黃蜂號發出信號。早上8點，大黃蜂轉向了風。杜利特爾緊緊地握著米切爾上尉的手，然後對他的同伴喊道:“好家夥，就是這樣。我們壹起去吧！”巨大的大黃蜂和她所依附的大海中的壹片落葉沒什麽區別，甲板幾乎緊貼著海面來回擺動。B-25的左翼已經伸出了大黃蜂的左弦。杜利特爾將油門加大到最大，飛機搖搖擺擺地向強風方向飛去，沈重的機身在甲板盡頭緩緩擡起。然後每架飛機都離開了船，甲板上壹片歡呼。8點24分，16飛機全部安全起飛。海軍攝影師中校·約翰·福特和他的攝制組拍攝了整個起飛過程。
“那天早上，風在咆哮，海在咆哮，藍色的海水在航母兩側爆發出壹簇簇浪花，”哈爾西在回憶中寫道。“吉米帶領他的中隊起飛，然後我的值班軍官在旗艦航行日誌上寫著:改變航向，轉向90度，立即以每小時25海裏的速度退出該海域……”杜利特爾帶領他的中隊去了西部，每個飛行員都知道他在做什麽。劇組開玩笑說，通過拋硬幣來決定誰把炸彈扔進日本皇宮。事實上，宮殿、醫院和學校不在轟炸目標之列。即使是後來350架B-29轟炸東京的時候，皇宮也是絕對的保護區，這是對敵人最後的壹點尊重。兩個小時後，東京時間12: 20，當杜利特爾的轟炸機低空飛過東京灣時，東京的人們正在吃午飯，壹隊巡邏機沒有發出警報阻止低空飛機的空襲阻擋氣球。早上防空預警演習結束後剛被取下來，連天上飛的九架戰鬥機都沒發現杜利特爾。那天中午，東條英機碰巧視察了米托航空學校並飛回東京。東條氏的秘書發現壹架雙引擎飛機從右邊飛來，畫著壹個不熟悉的標誌，然後恍然大悟，“美國飛機！”" .如果B-25不拆除機槍，它可能會為這項任務增加額外的結果。
“繼續朝正南方向和東京東部中心的郊區上空低空飛行。上升到1200英尺的空中，轉向西南方向，向容易著火的地區投彈。”杜利特爾投下了第壹顆高爆彈，如實記下了航空日誌。“高射炮火力很猛，但只有壹架飛機差點被打中。下降到屋頂的高度，然後在西郊低空鉆進煙霧，然後掉頭向南飛向大海。”警報再次響起。在午餐時間擁擠的街道和公園裏，當第壹架轟炸機從頭頂飛過時，人們異口同聲地向頭頂望去。人們揮舞著雙手，認為日本空軍正在進行壹場逼真的表演。只有當爆炸震動首都，濃煙升起時，他們才知道這是壹次真正的轟炸。在撤退的航空母艦上收聽東京電臺的機組人員從播音員聲音背後顫抖的警報聲中知道杜利特爾的飛機已經到達城市上空。接下來的二十分鐘，又有十架美國轟炸機從頭頂飛過，城市裏發生了壹系列爆炸。這十架飛機遭遇強風，與前兩架飛機分離，但飛機從四面八方飛來，繼續制造混亂。另外三架B-25轟炸機同時抵達名古屋、大阪、神戶上空，日軍戰鬥機飛行員不知所措。很長壹段時間，他們都搞不清楚攻擊是從哪個方向來的。美國轟炸機趁機向東逃向中國海，日本戰鬥機來不及追擊。
攻擊日本的16飛機全部脫靶。其中1受傷飛到海參崴，後被蘇聯扣留。其余15飛機全部飛往中國，目的地為中國湖南株洲機場，但因天黑、有霧、缺油等原因未到達目的地。15飛機散落在中國浙江江蘇。75名機組人員中，3人在飛機迫降時遇難，8人在日占區跳傘並被日本俘虜。戰後他們中只有4人幸存。杜利特爾的降落傘緩緩降落在農田裏，隨後杜利特爾被中國的農民救出。杜立特爾用生硬的中國話說:“我在天上打日本人！”夠了。杜利特爾和其余63名船員隨後被中國軍民護送至後方，隨後返回中國。1990年，幸存的船員還組織了壹次聚會，邀請了當時在保護他們的五位中國老人參加。
除了摧毀90棟建築和殺害數十名平民之外，這次襲擊沒有造成太大的實際損失。然而，正如總統所料，這直接鼓舞了美國的士氣。《洛杉磯時報》稱贊道:“杜利特爾做得很好。”。羅斯福給這件事增添了強烈的神秘感，說攻擊是從香格裏拉發動的。“香格裏拉”是詹姆斯·希爾頓的小說《消失的地平線》中的壹個神秘的天堂，用來掩蓋使用了航空母艦的事實。這次空襲讓日本參謀本部顏面盡失，因為沒有情報顯示美國航母上有雙發飛機，所以空襲後好幾天他們還不明白是怎麽回事。但從美軍艦隊的發現、空襲、中國境內殘骸的發現以及刑訊逼供俘虜獲得的口供等壹系列信息，可以聯系起來理解攻擊的發動過程。隨後聯合艦隊立即組織了對麥克特混艦隊的攔截。但哈爾西的特混艦隊輕而易舉地躲過了追擊的飛機，艦隊迅速駛過霧障。幾天後，日本帝國海軍放棄了追擊。