得知东京遭到轰炸，山本五十六咬牙切齿。因为他无论如何也想不通，美军的轰炸机究竟是如何飞临日本本土的。
日本在偷袭珍珠港后势如破竹，接连攻占美国控制的菲律宾、关岛等地。美军在西太平洋地区的全部军事基地尽失，最近的基地距离日本超过4000公里，超出了当时所有轰炸机的最大航程。山本五十六认为，日军已彻底掌控西太平洋，日本本土在此阶段绝对安全。然而，遭受突袭的美国绝不会善罢甘休。
珍珠港事件后，美国国内的民心和士气跌至谷底。为重振民众信心，罗斯福下令军方必须对日本实施报复性打击。12月21日，即在偷袭珍珠港两周后的参谋长联席会议上，罗斯福要求与会各部门立即制定“以牙还牙”的报复计划。
这对美国而言，是一个看似无解的难题。要打击大洋彼岸的日本，只有两种途径：一是海军舰艇，二是空中飞机。当时美国太平洋舰队在珍珠港几乎全军覆没，仅剩三艘航母侥幸逃脱，舰队已丧失战斗力，根本无法开赴日本近海与联合舰队正面交锋。于是，空袭成为唯一可行的方案。然而，日本周边没有美军机场，空袭只能依赖航母舰载机。
为保护本土安全，日本征用大量不足百吨的小型渔船，每隔几公里部署一艘，组成一条纵贯3000海里的警戒线。每艘渔船的船长和通讯兵均为海军士兵，用以防范来自太平洋方向的敌情。即使美军冒险将航母驶近日本近海，仍面临一个棘手问题：航母舰载机体型较小，航程仅1000多公里；而那几艘航母已是美国海军的全部家底，为保安全不能过于接近日本，只能在距海岸四五百公里处发起攻击。这一往返距离已接近舰载机的极限，加之载弹量不足，难以对日本造成实质性破坏。
然而，灵感往往在意想不到的时刻闪现，空袭东京的设想，由时任海军参谋长高尔上校提出。他在视察弗吉尼亚州诺福克海军机场时，发现跑道上绘有航空母舰甲板的图案，用作飞机着舰训练。这一发现令他想到：如果让陆军的大型轰炸机接受类似的训练，即使双引擎中型轰炸机无法在航母上降落，也可能顶着强风从航母甲板起飞。这样，航母便可搭载轰炸机执行任务，航程不足的问题也将迎刃而解。
尽管这一构想听上去颇为冒险，海军作战部长欧内斯特·金仍批准了计划，并由美国陆军航空队司令阿诺德负责实施。被誉为“美国空军之父”的阿诺德，召回了重新服役的詹姆斯·杜立特中校，委任他执行轰炸日本的任务。杜立特是当时最杰出的飞行人才，长期从事军用和民用飞机的试飞工作，只有他能最大程度确保空袭的成功率。
尽管如此，这次行动的风险依然极高。但考虑到其政治意义，美国不得不进行这场豪赌，当时日本正肆意横扫东南亚和太平洋，甚至连英国皇家海军也被迫撤往印度，而联合舰队依旧紧追不舍，迫使英国海军继续逃向非洲。这是大英帝国300年来首次退出东南亚，西方列强在该地区的殖民地几乎全被日本侵占。盟军在近半年来的各条战线节节败退，此刻正是最需要提振士气的时刻。
计划敲定后，杜立特开始挑选合适的机型，最终选定了B-25“米切尔”轰炸机。该机型尺寸较小且灵活性高，能满足海上起飞的要求。方案确定后，两架B-25被吊装上“大黄蜂”号航母甲板进行起飞测试，结果毫不费力地成功起飞，空袭计划因此迅速获批。
技术人员对B-25进行了大幅改装：卸下数百磅不必要的设备，拆除装甲钢板和防御机枪，这些机枪无法对抗日本战斗机，不如拆除以减轻重量，从而增加燃油携带量和飞行速度；每架飞机上的顶级诺登投弹瞄准器也被取下，因为该装置属于最高机密，保密等级与原子弹相当，美军担心一旦飞机被击落，技术会落入日本手中。
飞机选定后，杜立特开始招募飞行员。由于任务几乎是单程行动，最坏的结果是全军覆没。受保密限制，杜立特只能告知应征者这是一次极其危险的任务，但第10轰炸机大队的飞行员依然踊跃报名，很快征集到80名志愿者。他们在佛罗里达州展开严格训练，核心目标是让16架轰炸机全部具备短距起飞能力。经过短期集训，全体机组均达到起飞标准。
1942年4月1日，16架经过改装的B-25轰炸机登上“大黄蜂”号，每架配备4枚特制500磅炸弹，总计约900公斤，其中3枚为高爆炸药，1枚为子母燃烧弹。燃烧弹在空中分散，可对目标区域实施大面积焚烧。行动前，全体人员合影留念，杜立特在5枚炸弹的尾翼上刻下日本战前授予美军官兵的“友好奖章”，以这种方式回应日本的偷袭。摄影师记录下这一幕，这张照片后来成为太平洋战争史上最著名的珍贵影像之一。
“大黄蜂”号率领第18特混舰队离开美国本土，前往夏威夷北部海域与哈尔西指挥的机动舰队会合，由“企业”号航母及十余艘军舰护航，直奔日本。空袭的具体方案是：航母驶至日本本土近海420至500公里处，轰炸机起飞后空袭东京、横滨、名古屋、大阪、神户等地的军事目标；完成任务后转向西南，飞往中国浙江衢州、丽水附近的机场，加油后再转赴重庆空军基地。
为保密起见，美国未将计划详情告知中缅战区的史迪威将军，仅要求他在指定机场储备100号特供汽油；同时电告驻重庆的美军军事代表团，通知蒋介石做好准备，要求在4月初前在中国浙江一带选四五个机场加修跑道。为避免泄密，美国对外宣称轰炸机将从缅甸进入中国，在中国基地加油后空袭日本，再返回这些机场。由于中方不了解具体细节，且浙江机场处于日军重重包围之中，准备工作极为仓促。
哈尔西的舰队全程保持无线电静默驶向日本，一路顺利。4月18日清晨，机动舰队距日本本土1200公里，距预定起飞点仅剩七八百公里时，日军巡逻船“日东丸23号”发现了他们，并立即向日本本土发出无线电预警。美军迅速将其击沉，但舰队位置已暴露，一旦日本出动军舰阻截，继续前进将极度危险；但若返航，则将错失袭击机会。
短暂思索后，杜立特与“大黄蜂”号舰长决定继续执行任务，命令所有B-25立即起飞，比原计划提前10小时。由于燃油是按原计划精确计算的，此时已来不及调整额外航程，每架飞机只能临时加装10桶燃油。为进一步减重，机组甚至拆除了机上唯一的机枪，并要求提前排空体内杂物。
杜立特的飞机排在起飞序列首位，起飞距离仅约140米。完成最后准备后，他加满油门冲出甲板，成功起飞。随后，其余飞机在一小时内全部升空。原定第16架飞机负责观测和拍摄，但因计划变更，杜立特决定让全部16架飞机参与轰炸。
起飞后，轰炸机初期以2至4架编队飞行，随后分散，贴近海面低空飞行以规避日军雷达。6小时后，16架B-25于东京时间正午12时许陆续抵达日本上空。此时日本人毫无防备，当天上午东京正举行防空演习，中午演习结束仅数分钟，杜立特的机群便已到达。这一巧合进一步降低了日本人的警惕，船上和地面的观察哨甚至误以为是己方飞机，挥手致意。然而，迎接他们的是64枚呼啸而至的高爆炸弹。
杜立特小队共轰炸了东京10个目标、横滨2个、横须贺1个、名古屋1个、神户1个、大阪1个。尽管部分B-25遭遇防空炮火和日军战机拦截，但没有一架被击落；仅有一架因被日军战机缠斗，被迫将炸弹投入东京湾，未能实施有效轰炸。
轰炸结束后，除一架因机械故障迫降苏联外，其余15架按计划飞往中国。高空的强劲顺风弥补了燃油不足，但这15架飞机抵达中国上空后，因天气恶劣和燃油耗尽，均未能抵达预定机场，全部迫降在浙江、江西等地。其中3人在迫降中丧生，8人因降落在日占区被俘；包括杜立特在内的其余64名机组成员，在当地中国军民的帮助下成功获救。
美军的空袭彻底激怒了日本，日军随即发动浙赣战役，导致25万中国平民惨遭屠杀。杜立特空袭对日本造成的物质损失有限，约300人伤亡，90座建筑物被毁，但其战略影响极为深远。
这次空袭打破了日本人“本土绝对安全”的幻想，甚至一度威胁到日本天皇的安全，使其深刻认识到本土并非牢不可破。山本五十六被迫召回在外作战的联合舰队，认为必须彻底击败美国太平洋舰队才能确保本土安全。于是，他开始策划中途岛战役。而中途岛一役，日本联合舰队损失惨重，太平洋战争的天平从此开始向美国倾斜！
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