Trong giai đoạn đầu tiên sau khi phát xít Nhật tấn công Trân châu cảng, nước Mỹ rơi vào trạng thái bị động. Bên cạnh việc khắc phục những thiệt hại, Mỹ bắt đầu thành lập một lực lượng đặc biệt nhưng quân đội cần làm gì đó giúp tăng nhuệ khí chiến đấu của binh sĩ.

Đề xuất sử dụng máy bay không kích lãnh thổ Nhật Bản ban đầu được cho là không khả thi bởi khi đó, Mỹ không có máy bay ném bom tầm xa và nếu đưa tàu sân bay áp sát Nhật Bản cũng hết sức nguy hiểm. Các máy bay ném bom tầm trung B-25 Mitchell có thể được cải tiến để cất cánh trên tàu sân bay, oanh tạc Nhật Bản, nhưng sau đó buộc phải hạ cánh ở một nơi nào đó tại châu Á vì không thể trở về tàu sân bay hạ cánh.

Một trong số những phi công nổi tiếng nhất của Mỹ trong Thế chiến II, Trung Tá Jimmy Doolittle được lựa chọn là người chỉ huy trận đột kích vào nước Nhật. 80 người gan dạ trên 16 máy bay ném bom B-25 Mitchell đều là những phi công tình nguyện, thực hiện sứ mệnh được coi như cảm tử.

Gần 4 tháng sau trận Trân châu cảng, 16 máy bay B-25 Mitchell được đưa lên tàu sân bay Hornet. Tàu sân bay Hornet với sự hộ tống của bốn tàu khu trục, hai tàu tuần dương và một tàu chở dầu đi qua gầm cầu Cổng Vàng và hướng ra đại dương. Số tàu này hợp quân với tám tàu đến từ Trân châu cảng, dưới sự chỉ huy của tàu sân bay Enterprise để hướng đến Nhật Bản.

Rắc rối đầu tiên xảy đến trong cuộc đột kích Doolittle là việc người Mỹ không tính đến sự hiện diện của một tàu đánh cá của Nhật Bản thực hiện nhiệm vụ cảnh giới, cách bờ biển 1.200 km. Tàu sân bay Hornet lo ngại rằng tàu Nhật Bản đã phát hiện ra tàu sân bay trọng tải 20.000 tấn của Mỹ do hai tàu chỉ cách nhau 10 km. Do đó, các máy bay B-25 Mitchell phải cất cánh sớm, cách địa điểm ban đầu gần 300 km.

Trung tá Doolittle xuất phát lúc 8 giờ 20 sáng và theo sau đó 1 giờ là 15 máy bay B-25. Mỗi chiếc xuất phát nhau từ 3-4 phút từ. Các máy bay sau khi lấy được độ cao liền lượn vòng và bay thấp phía trên khoang lái của tàu sân bay để định vị và hướng về phía Nhật Bản.

Chiếc máy bay số 16 do nằm ở mãi tận phía sau nên bị rung mạnh bởi lực đẩy ra phía sau khi chiếc máy bay số 15 cất cánh. Các thủy thủ đã phải chạy đến cột chặt máy bay, không cho nó rơi xuống biển.

Không hiểu vì một nguyên nhân nào đó, xuất hiện lỗ hổng rộng chừng hơn 30 cm ở phần mũi máy bay. Điều này khiến máy bay số 16 giảm tốc độ và tiêu thụ nhiều nhiên liệu hơn.

Nhưng không còn thời gian để sửa chữa, các phi công lên đường làm nhiệm vụ ngay sau đó. 16 máy bay sau khi cất cánh không thể liên lạc với nhau, họ hướng về phía Nhật Bản.

10 chiếc nhận nhiệm vụ không kích Tokyo, số còn lại tấn công mục tiêu ở các trung tâm công nghiệp Nhật Bản bao gồm Yokohama, Kobe, Nagoya và căn cứ hải quân Yokosuka. Nhiều người dân Nhật Bản khi thấy máy bay Mỹ còn giơ tay vẫy, có lẽ bởi phù hiệu nhầm lẫn phù hiệu của lực lượng lục quân Mỹ với lá cờ Nhật Bản.

Đợt oanh tạc diễn ra chớp nhoáng, khiến cho phía Nhật Bản không kịp triển khai đội hình phòng thủ. Trong số các máy bay tấn công, chỉ có chiếc số 10 bị trúng đạn, với một lỗ nhỏ ở phần thân.

Sau khi ném hết số bom mang theo, tất cả 16 máy bay B-25 nhanh chóng rút khỏi lãnh thổ Nhật Bản. Đây là lần duy nhất các máy bay ném bom Mỹ xuất hiện trên bầu trời Nhật Bản mãi cho đến khi chiến tranh kết thúc.

Ra khỏi không phận Nhật Bản, các máy bay B-25 bị thiếu nhiên liệu trầm trọng. May mắn nhờ bay xuôi theo chiều gió mà tất cả 16 chiếc B-25 đều đến được bờ biển Trung Quốc. Đến nửa đêm, các phi công nhận lệnh nhảy dù.

Kỹ sư sửa chữa kiêm pháo thủ của máy bay số 3 Leland Faktor là người đầu tiên thiệt mạng khi nhảy dù xuống đất. William Dieter và Donald Fitzmaurice, tổ lái trên máy bay số 6 bị chết đuối ngoài khơi bờ Trung Quốc. 4 trong số các thành viên của máy bay số 7 bị thương nặng, còn phi công Lawson bị gãy chân.

Đa số các phi công hạ cánh an toàn đều may mắn được người dân Trung Quốc phát hiện, cứu giúp, đưa đến dãy núi không có quân Nhật kiểm soát. Sau đó, họ gửi thư thông báo cho Washington là cuộc đột kích Doolittle đã thành công.

Số phận của phi công trên máy bay số 8, số 6 và số 16 không may mắn như vậy. Máy bay số 8 vì không đủ nhiên liệu đã chuyển hướng hạ cánh ở Vladivostok, Nga. Thành viên tổ bay bị giam ở Nga trong hơn một năm trước khi chạy trốn vào vùng núi rồi tìm đường sang Iran vào cuối tháng 5/1943. 8 thành viên của máy bay số 6 và 16 bị quân Nhật bắt được.

3 người bị xử tử trong tháng 10/1942 sau một phiên xử lấy lệ. Một người chết vì suy dinh dưỡng trong tù, 4 người khác tiếp tục bị tra tấn, đối mặt với bệnh tật, biệt giam cho đến tận ngày họ được giải cứu vào tháng 8/1945. Cuộc đột kích đầy bất ngờ vào Tokyo đã giành thắng lợi rực rỡ, tuy không phá hủy mục tiêu nhưng nó đã có tác động quan trọng đến nhuệ khí chiến đấu của binh sĩ Mỹ.

Bởi cuộc tấn công này mà không quân Nhật đã phải điều động 4 phi đội máy bay chiến đấu từ ngoài mặt trận về chính quốc để tham gia phòng vệ trên không. Đột kích Doolittle cũng thúc đẩy Đô đốc Nhật Bản Isoroku Yamamoto quyết định tấn công đảo Midway, dẫn đến thất bại thảm hại của Hải quân Đế quốc Nhật Bản trong trận Midway vào tháng 6/1942.

Trở về quê hương, James Doolittle nhận Huân chương Danh dự và được thăng hàm vượt hai cấp, trở thành Chuẩn tướng.