1 月 16 日，邓肯上校向金递交了关于此次攻击行动的报告，提出使用 B-25 携带 900kg 炸弹及两个副油箱，长途飞行2000 海里执行轰炸东京的行动计划，由刚刚服役的“大黄蜂”号航空母舰载运 16 架 B-25 轰炸机，在距离日本海岸 500 海里处起飞对东京进行轰炸，然后袭击的飞机在中国浙江衢州机场降落。这个计划得到了阿诺德的支持，经过海军和陆军的协商，执行此次攻击行动将由著名的美国飞行员，刚刚在珍珠港事件后重新服役的陆军中校詹姆斯 .H. 杜利特担任指挥官。
1942 年 2 月底，执行攻击东京任务的由陆军第 14 轰炸机大队中挑选的 140 名飞行员开始在佛罗里达州埃格林基地进行紧急训练，尽可能让他们掌握从航空母舰上进行短距离滑跑起飞和夜间降落的技能，同时对挑选出进行攻击行动的 B-25 进行减重改装，将飞机上不必要的设备全部拆除，并增加了一个内置油箱。同时为防止飞机被击落后泄密，飞机上的诺顿投弹瞄准器也被拆下换成了一个由格里宁上尉自己发明的仅价值几美分的简易瞄准器。
詹姆斯 . 哈罗德 .”吉米“. 杜利特（James Harold .‘Jimmi’.Doolittle 1896.12.14- 1993.9.27）早年时候的照片，早在这次任务之前他就已经是美国的知名飞行员，曾经驾驶竞赛机在飞行比赛中获得优异的成绩。在珍珠港事件后，杜利特重新加入美国陆军航空队。他很清楚空袭日本的任务将是他所从未遇到过的一次冒 险，但依然义无反顾地开始进行详细地策划并投入到其中。
3 月 19 日，邓肯上校飞往夏威夷，请尼米兹将军推荐一位袭击舰队指挥官，于是尼米兹选择了威廉 . 哈尔西中将担任袭击舰队指挥官，他将率领 TF.16 为” 大黄蜂“号编队进行护航。这时，对于这个计划只有罗斯福总统及几位陆军和海军高官、金上将、尼米兹上将、阿诺德上将以及制定该计划的洛上校、邓肯上校、哈尔西中将及”大黄蜂“的舰长马克 .A. 米切尔上校、杜利特中校知道。
1942 年 4 月 1 日，用于空袭的 B-25 轰炸机在旧金山海军船厂船坞被吊送上”大黄蜂“号，用于袭击的飞机准备了 24 架，但是由于航空母舰飞行甲板面积有限，只使用了其中的 16 架。这些飞机用防水帆布包裹着系留在”大黄蜂“号的飞行甲板后部。4 月 2 日，”大黄蜂“号穿过金门大桥，向西驶去。
“将勋章还给日本人！”。在起飞之前，杜立特将包括哈尔西等数个曾经获得过日本颁发的勋章的海军军官的勋章绑到炸弹尾部，它们将一起丢到日本领土上。
4 月 8 日，在珍珠港进行改装和休整完毕的“进取”号及其护航舰只悄然离港，其目的地是在阿留申群岛和中途岛之间的一处海域。这艘航空母舰上的战斗机在航行期间不断起飞进行警戒，不过 6 天的航行期间没有发生任何情况。4 月 14 日，“进取” 号上的舰员们见到了涂饰着迷彩色的“大黄蜂”号，令他们迷惑的是这艘最新的航空母舰上没有海军的鱼雷机和俯冲轰炸机，只有 16 架 B-25，于是这些人纷纷猜测这艘航空母舰可能是支援某个基地的，但是两艘航空母舰的会合地点是波涛汹涌的北太平洋，附近没有任何可供支援的基地。所以“进取”号上的这些人认为很可能是要去阿留申群岛，但是舰队的航向却是向西而不是向北而去。
谜底在次日揭开了一角，“进取”号通过舰内的广播宣布“大黄蜂”要去执行一项特殊任务，而“进取”号负责为该舰护航。这支编队此时正向西航行。
具有历史价值的瞬间。这张照片在 1982 年美国发行的纪念空袭东京行动 40 周年明信片上作为图案。
直到 4 月 18 日凌晨，这次任务才正式向整个护航编队揭开面纱，当在“进取”号上的威廉 . 哈尔西中将微笑着对全体舰员宣布此次任务是由“大黄蜂”号上的这 16 架 B-25 唱主角，目标是日本首都东京时，数千名舰员都发出欢呼声。这时编队距离日本本州岛约 620 海里，只要再航行半天左右，当编队抵达距离本州岛 500 海里左右时，B-25 将起飞前往目标。但是就在天明时发生了意外：“进取”号编队在 0630 时突然同一艘负责日本外海海域警戒的远洋渔船“新 23 号日东丸”遭遇，该船是日本为防止遭到敌方舰队突袭而部署在东经 155°线上的 50 艘特设监视艇之一，虽然负责护航的“进取”号的舰载机和“纳什维尔” 号轻巡洋舰迅速向这艘小船发动攻击，并很快将其击沉，但是该船已经向东京发出了警报：“发现敌航空母舰。”随后美军舰载机又数次同周围的多艘日本警戒船发生交火，并击沉了其中的几艘，有大约 50 名日本人丧生。
被击中后起火下沉中的“新 23 日东丸” 号
很显然，编队的行踪已经暴露，如果继续向西航行按照预定的 18 日中午左右起飞飞机的话，很有可能会同前来拦截的日本舰队和飞机遭遇，其后果难以估量。如果立即准备起飞，B-25 则要冒很大的风险，原定的在傍晚时分进行的轰炸将改为在白昼进行，而且由于航程过远，机群很有可能飞不到预定的浙江衢州机场，即使能够抵达衢州，机群也将在晚间而不是预计的凌晨接近天明时进行降落，对于完全不熟悉机场情况的机组们来说降落的危险性也很大。哈尔西、米切尔及杜利特等人经过简短商讨后，决定立即起飞，即使 B-25 机群要冒这么大的风险，他们也都不愿徒劳往返，此决定也得到了参加任务的所有机组的赞同。于是“大黄蜂”号上立即忙碌起来，B-25 上所有可以拆下来的东西，包括本来保留着的尾部机枪都被迅速拆卸下来，地勤人员为飞机开始加油并不断摇晃飞机，以图将油箱中的空气排出以便能加入更多的燃油，同时还为每架飞机多准备了几个油桶，在飞机飞行过程中由机组人员将这些油桶中的油加入到飞机油箱中以补充损耗。在将炸弹装载在飞机上之前，哈尔西、杜利特等人将以前在他们访问日本时所得到的由日本政府颁发的勋章系到炸弹上。而整个编队以所能达到的最快的航速向东京方向行驶，以尽可能缩短距离。
上午 0815 时左右，杜利特发动发动机，编号为 AC40-2344 的B-25B 轰炸机在发动机功率达到最大后刹车松开，沉重的轰炸机在舰队所有能在舰面上的人的注目下向前滑动，在离甲板端头很近的距离处飞机终于抬起机头艰难地升空，起飞地点在北纬 35度 43 分，东经 153 度 25 分，距离日本首都东京624 英里（1004 公里）。
杜利特的座机离开“大黄蜂”号
在一片欢呼声中后续的飞机陆续离开“大黄蜂”号，但不幸的是一名水兵在这个过程中被风吹起卷到第 16 架，即 AC 40-2268 号飞机的螺旋桨手臂被打断。
起飞的机群在完成编队后通过“大黄蜂” 上空，向该舰和整个舰队说“再见”，同时“大黄蜂”也将舰艏指向东京来为机群指示方向。16 架 B-25B 以单纵队队形沿着“大黄蜂”所指示的方向向日本隆隆飞去。而舰队在这些 B-25 全部起飞完毕仅一分钟后即调头以 25 节的航速向珍珠港返航。
杜利特中校机组驾驶的 1 号机 AC 40-2344 号，该机组使用燃烧弹轰炸了东京北部的工业中心区。所有成员最后跳伞成功，这架飞机的机枪手保罗 . 伦纳德下士在 1943 年 1 月 18 日在北非阵亡。
