前期準備
日本在偷襲珍珠港後的六個月內，先後拿下新加坡、菲律賓、緬甸、新幾內亞和所羅門群島，並且在印度洋圍攻英國皇家海軍，而此時的蘇聯又與日本簽署了中立條約。為鼓舞盟軍士氣，時任美國總統羅斯福表示，應儘快組織一次就日本的報復性打擊。
1942年1月，美國海軍艦隊總司令任命已退役的航空兵中校杜立特負責空襲東京的行動。所以該行動也稱為“杜立特空襲”。
1942年3月1日，24架改裝好的B-25轟炸機和這24架飛機的機組人員前往佛羅里達州，進行為期三週的高強度訓練。
1942年3月31日，16架最終確定參加任務的B-25陸續飛往阿拉米卡，航母大黃蜂號也隨後抵達。
在甲板上擠滿16架B-25的大黃蜂號從舊金山出發後，所有參與行動的人員才被告知此次行動的具體內容。
每架B-25轟炸機都配備了4枚特別定製的炸彈：3枚填裝高爆炸藥和1枚子母燃燒彈。這種燃燒彈在投出機艙後會分散開，大面積燃燒目標（日本的建築材料大多是木頭）。
空襲東京
1942年4月18日清晨7時38分，大黃蜂艦隊在距離日本本土還有650海里的地方被日軍巡邏船發現，而此時艦隊尚未到達預定的起飛地點。
因擔心被接到警報的日軍攔截，杜立特決定所有B-25立即起飛，比原計劃提早了十個小時，所有B-25將要多飛310公里，這也許是一場有去無回的轟炸。
16架B-25轟炸機在一個小時之內全部成功起飛。他們為了躲避雷達貼近海面低空飛行6小時後，於正午時分飛抵日本上空。在轟炸了東京的十個軍事目標之後，沿著日本南部海岸飛往中國。
原計劃，他們將降落在中國浙江境內幾座尚未被日軍佔領的機場，加油後再飛往國民黨戰時首都——重慶。值得慶幸的是，在飛往中國的航程中他們始終是順風，否則他們根本無法在七小時內抵達中國。
16架B-25·任務之後
1號機：下午0:30對東京北部工廠投彈，接著飛往中國。晚上9:30分由於遇上濃霧、燃油耗盡，機組人員被迫跳傘，在中國百姓的護送下安全搭機返回美國。
2號機：緊隨1號機後，對兩棟彈藥庫投彈後，向西飛往中國。同樣未找到機場，成功迫降在一片水稻田中，機組人員在步行三天後，得到游擊隊員的幫助，最終抵達重慶。
3號機：下午0:40對東京工業區的鋼鐵廠、化工廠進行了轟炸，接著飛往中國。飛入浙江境內，未找到機場，燃油耗盡後棄機跳傘，其中一人不慎跌落懸崖喪生。剩餘四人得到中國百姓的幫助，加入“飛虎隊”繼續戰鬥。
4號機：剛抵達東京南部上空就遭到4架日軍戰鬥機的突然攻擊，此時地面也出現了高射炮火，不得已將炸彈扔入東京灣後，飛往中國。飛入江西境內後，燃油耗盡，全員棄機跳傘，全部安全著陸。
5號機：抵達東京上空時同樣遭到高射炮射擊，遂放棄預定目標，直接對發電站和工廠投下炸彈，之後飛往中國。飛入衢州上空後，全員棄機跳傘，全部安全著陸。
6號機：成功找到預定目標並實施了轟炸，之後調轉機頭飛往中國，但還沒有抵達陸地上空燃油就已快耗盡，只好決定在海上迫降。兩人不幸溺水身亡，剩餘三人游到岸上，在中國百姓的幫助下試圖前往安全地區，但被日軍發現被捕，飽受嚴刑拷打。其中兩人被日軍執行槍決，一人在二戰即將結束前才被營救出獄。
7號機：在飛入東京市中心上空後遭到高射炮的猛烈炮擊，轟炸了目標廠房後迅速抽身，飛往中國。由於夜幕降臨、能見度低、燃油耗盡，他們只好迫降海面，雖然都有負傷，但得到了及時的救治，並在中國游擊隊的幫助下順利抵達安全地帶。
8號機：由於引擎問題，燃油消耗過快，但仍然找到預定目標投下了炸彈。之後他們發現剩餘燃油無法讓他們撐到中國，只好飛往蘇聯，著陸之後即被蘇聯當局扣押。十三個月後，他們才成功逃脫，通過英國駐伊朗大使館，幾經輾轉後搭機返回美國。
9號機：雖然也遇到炮擊，但是高效轟炸了預定目標後，徑直飛往中國。抵達中國上空後，也不得不棄機跳傘，在中國百姓的幫助下，全員抵達安全地區。
10號機：雖然遭到9架戰鬥機的攔截，但仍然成功轟炸了預定目標，之後被猛烈的炮火擊中，機身被打出了一個直徑18釐米的大洞。頑強地飛入中國境內後燃油耗盡，棄機跳傘，全員抵達安全地區。
11號機：雖然一開始偏離了航線，但最終找到了預定目標，完成了轟炸。在飛入中國內陸後，全員棄機跳傘，經過當地百姓的救治後，抵達安全地區。
12號機：進入日本上空後，同樣遭到了炮火的猛烈攻擊，而預定目標橫濱造船廠上空由於漂浮著氣球，無法接近投彈，於是將炸彈投向了港口的煉油廠。飛入中國境內後，全員棄機跳傘，在當地百姓的協助下，抵達安全地區。
13號機： 在炮火的猛烈攻擊下，仍然找到了預定目標橫須賀海軍基地，準確命中正在建造的“大鯨”號甲板後，飛往中國。在中國境內棄機跳傘，全員安全著陸，抵達安全地區。
14號機：對名古屋附近的兵營和三菱飛機制造廠投彈後，飛往中國。轟炸效果很好，全員成功在江西上空棄機跳傘，安全著陸，並抵達安全地區。
15號機：對神戶鋼鐵廠等目標進行了轟炸，之後飛往中國。在浙江附近海面迫降，乘救生筏上岸，在東躲西藏幾天後與7號機人員會合。
16號機：由於最晚出發，抵達日本上空時受到了炮火的猛烈攻擊。原計劃轟炸大阪，但是卻飛到了名古屋，儘管遇到日本戰鬥機的攔截，但還是轟炸了大型油庫和飛機制造廠。在飛入中國後，燃油耗盡，不得已棄機跳傘，不幸降落在日佔區，五人全部遭日軍俘獲。其中兩人被槍決，三人直到1945年8月才被營救出來。
這些空襲後著陸在中國的機組人員大多數都得到了中國百姓的幫助，最終抵達安全地區，而中國人民也為此付出了慘痛的代價。日軍為了搜出空襲的美國飛行員，甚至動用了細菌武器，據估計被殺害的中國百姓多達25萬人。
一名被中國百姓救起的飛行員在回憶錄中寫道：
“我不斷想起那些勇敢堅忍的中國男女……他們救起的那些人中，有人會一遍又一遍地轟炸日本。”
一場小勝利的重要性
雖然杜立特空襲不久，遭到轟炸的設施就陸續修復，但空襲的消息一經發出，盟軍上下一片歡騰，這也給處於抗戰期間的中國軍民帶來了希望。
杜立特空襲也迫使日本為了防守本土，將印度洋上的艦隊召回了日本，解除了英國皇家海軍的壓力，也使戰備物資得以順利運抵印度後再運往中國。
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