3月9日17时34分，美军第三一四轰炸机联队队长托马斯·鲍尔率334架B-29从塞班岛和提尼安岛机场起飞，直扑东京。4小时后，第三一四轰炸机联队飞临东京上空。美军海军陆战队在海洋和岛屿上拼死拼活3年多走过的艰苦历程，在空中走廊只用了3个多小时。
庞大的美军机群沿着被飞行员戏称为“裕仁公路”的航线飞入日本本州海岸线后，队长鲍尔下令所有人员佩戴防护用具，所有空勤人员纷纷穿上防弹背心，戴上钢盔，以防日军猛烈的高射炮火。考虑到此次空袭将会给日本造成巨大的人员伤亡，所有参战人员在起飞前得到指示，一旦被击落，就要尽快被日军俘虏，要是落入平民手中很可能被当场杀死。
3月10日0时15分，美军2架导航机到达东京上空，正当飞行员庆幸日本人没有发现他们准备俯冲时，地面上的探照灯突然打开。随之而来的是从黑沉沉的大地上升起一团团橘黄色和红色的火球，开始很小，越变越大，越升越快，在飞机腹下爆炸后化作细小的火星。这是日本人猛烈的防空炮火。有几架美机被明亮耀眼的橘黄色炮火击中。
这时，执行轰炸任务的第三一四轰炸机联队队长鲍尔果断下达命令：“航向正方位85度，高度4500英尺，我机已改平，投弹！”
美军334架“超级空中堡垒”在预定目标区下町地区投下照明弹，接着便投下一串串燃烧弹，燃起两条火龙，为后续飞机指示目标。随后赶到的大批飞机接着以单机间隔15米梯次进入，在1500米高度向下町地区投掷了2000多吨燃烧弹，弹体在离地面100米时爆炸，射出一根根2米长的燃烧棒。燃烧棒一接触物体就爆炸，火种向四处散去。刹那间，东京被烧得通红。美军庞大的机群在地面火海的映照下，疯狂地俯冲、轰炸、爬升，此起彼伏，场面十分壮观。
东京大轰炸后焦烂的尸体
日军没有战斗机升空，高射炮火力也很稀疏。30分钟后，大火迅速蔓延开来，火势已经无法控制，绝望的东京市民丢弃一切，拼命躲避着追逐他们的火焰。许多人连衣服都来不及穿，裸露着身体蜷缩在木制的防空洞里，呆呆地望着冲天大火。
人们打消了灭火念头，大火造成的灼热气浪与冷空气形成强劲的对流风，几乎将所有东西点燃了，金属被高温熔化，人和木头在令人窒息的高温中自燃。许多躲在防空洞里的人被活活烤死，四下奔逃的人群近乎疯狂，很多人纷纷跳入附近的池塘和河流，但是大火形成的高温将池塘里的水都煮开了。跳进水中试图避难的人们都被滚烫的开水活活煮死。
这个时候，坐镇关岛的美军第二十一轰炸机联队司令李梅在司令部办公室里焦急地走来走去，他不停地看表，还喃喃自语：“应该收到鲍尔的报告了，看来他们是遇到麻烦了，都是我的错，都是我的错！”参谋长克斯勒从旁不断地安慰。
1时15分，李梅拭去满头大汗，对克斯勒说：“这是我的决定，我承担一切责任，这就向华盛顿报告。”这时，通信军官挥舞着鲍尔的报告破门而入：“已经投弹，目标地区一片大火，高射炮火由密到疏，没有什么战斗机。”
指挥部里顿时一片欢呼。李梅大喜，马上向陆军航空兵司令阿诺德上将报告：“我相信，惩罚之火已经动摇了那个罪恶‘神国’的根基！”
黎明时赶到下町的救护人员被眼前的情景震惊了，池塘里漂浮着无数尸体，被大火烧成黑炭，根本无法分辨男女。东京变成了地狱。火海的中心在银座、本所和深川一带。城内41平方公里土地上的建筑物被焚烧得荡然无存，除了石像、水泥柱、墙、铁框架及少数电线杆外，东京几乎被夷为平地。
东京人发现，他们一生中熟悉的地方消失了，甚至连河水都蒸干了。东京东部面积达39平方公里的地区荡然无存，26.7万幢建筑—占东京建筑物总数的24%被彻底烧毁。东京中心商业区的63%、工业区的20%被烧毁，其中美军要攻击的22个工厂全部被毁，100万人无家可归。此次轰炸中，东京死亡83793人，重伤10万人。
指挥此次作战的第三一四轰炸机联队队长鲍尔一边望着眼前一切，一边向关岛的第二十一轰炸机联队司令李梅少将报告：“在将军的授意下，我已把东京从地图上抹去。我从来没有见过如此惨烈的景象。日本人在火海中伸腿展拳，疯狂挣扎，烧焦的人肉味直扑我的座机。”
空袭中，美军有9架B-29被击落，5架受到重创，后来均在近海迫降，飞机上的大部分空勤人员被美军担负救援任务的潜艇救起，还有42架被击伤，不过都安全返回了基地。
10日晚，美军317架B-29轰炸名古屋，尽管该城消防设施比东京先进，但依旧遭到惨重损失，市中心5平方公里的地区被烧成一片白地。
3月11日，日军被挤压到硫磺岛北端和东北部的狭小地带。
3月13日，美军向驻守硫磺岛的日军发起总攻。日军守岛总指挥栗林忠道下令烧毁军旗，决死一战。
13日晚，美军300架B-29轰炸大阪，投下1700吨燃烧弹，20平方公里城区被焚烧殆尽。
3月16日晚，美军4000架B-29轰炸神户，投下2300吨燃烧弹，该城城区化作一片废墟。
从3月9日至3月19日的10天里，美军共出动1600架次的B-29轰炸机，把名古屋、大阪和神户这3座城市中合计83平方公里的城区烧成废墟，直到将储存在马里亚纳群岛基地的1万吨燃烧弹消耗完毕，轰炸方告一段落。3月下旬，美军通过空运和海运结合的手段，再度补齐了弹药库里的燃烧弹存量。进入4月份后，美军对日本本土进一步加大了空袭力度。