Alameda limanından 2 Nisan 1942 günü saat 10:00'da ayrılan USS Hornet uçak gemisi ile Görev Gücü 18 birkaç gün sonra Koramiral William F. Halsey Jr. komutasındaki USS Enterprise uçak gemisi ve ona refakat eden kruvazör ve destroyerlerden oluşmuş Görev Gücü 16 ile Büyük Okyanustaki Hawai Adalarının kuzeyinde önceden belirlenen yerde buluştu. Hornet uçak gemisinin uçuş güvertesinde B-25'ler bulunduğu için, uçak gemisinin av ve keşif uçakları uçuş güvertesinin altında bulunuyordu. Bu nedenle Enterprise uçak gemisindeki uçaklar görev gücünün tümünü Japon uçaklarının olası saldırısından koruyacaktı. Birleşik görev gücü 2 uçak gemisi, 3 ağır kruvazör, 1 hafif kruvazör, 8 muhrip ve 2 yakıt ikmal gemisinden oluşmuştu ve tam bir telsiz suskunluğu uyguluyordu. Düşük süratte seyreden yakıt ikmal gemileri 17 Nisan 1942 günü akşamüstü görev gücüne yakıt ikmali yaptıktan sonra muhriplerle birlikte geriye dönmüş, uçak gemileri ve kruvazörler Japonya'nın doğusunda ve Japonlar tarafından kontrol altında tutulan sulara, B-25'lerin kalkış noktasına doğru 20 deniz mili süratle seyretmeye başlamıştı.

Görev gücü 18 Nisan 1942 günü sabah saat 07:38'de Japon anakarasının 1,050 kilometre (650 mil) açığında plânlanan kalkış noktasına doğru ilerlerken Japon devriye gemisi Dai-23 Nittō Maru tarafından görülmüş ve devriye botu telsizle Japonya'ya saldırı yapılacağını bildirmişti. Nashville kruvazörü tarafından ateş altına alınan Dai-23 devriye botu ölümcül hasar görmüş, bot komutanı astsubay intihar etmiş ve 11 denizcinin 5'i denizden çıkarılmıştı. Bu durumda Yarbay Doolittle ve Hornet uçak gemisinin komutanı Albay Marc Mitscher, plânlanan noktadan 10 saat önce ve 270 kilometre (170 mil) daha uzak bir noktadan B-25'lerin ivedi olarak kalkmaları kararını verdi. Uçakların motorlarının çalıştırma hazırlıklarına başlandı. Doolittle'ın uçağı uçuş güvertesinin en önündeydi ve kalkış mesafesi 467 feet'di (142 metre). Yarbay Doolittle dahil pilotların hiç biri uçak gemisi güvertesinden B-25 uçağı ile kalkış yapmamıştı. 16 B-25 "Mitchell" orta menzilli bombardıman uçağının tümü 08:20 ve 09:19 saatleri arasında emniyetli bir şekilde Hornet uçak gemisinden havalanmıştı.

B-25'ler Japonya'daki hedeflerine doğru görülmeden varmak için ikili kol, en fazla dörtlü kol halinde ve dalgalara değecek kadar alçak irtifadan uçtular. Uçaklar, uçak gemisinden kalkışından 6 saat sonra öğle saatlerinde Japonya'ya vardılar ve Tokyo civarındaki Yokohama, Yokosuka, Nagoya, Kobe, Osaka şehirlerindeki 10 askeri ve endüstriyel tesisi bombaladılar. Bombardıman sırasında B-25'lere hafif uçaksavar ateşi açılmış ve birkaç Japon av uçağı ile karşılaşılmış ancak herhangi bir kayıp verilmemişti. Sadece Üsteğmen Richard O. Joyce'nin kullandığı B-25 uçağı küçük çaplı uçaksavar isabeti almıştı. Uçak gemisinden dördüncü uçak olarak kalkış yapan Ütğm. Everett W. Holstrom'un kullandığı B-25, Japon av uçağına taretindeki tutukluk nedeniyle ateş edemeyince bombalarını hedefe varmadan önce bırakmak zorunda kalmıştı.

Bombardımana katılan 16 B-25'in 15'şi Japonya'nın güney kıyılarından güneybatı istikametinde uçmuştu. Uçakların Doğu Çin Denizi'ni geçerek Çin'in doğusundaki etrafında birçok meydan bulunan Zhejiang'daki seyrüsefer yardımcılarını kullanarak Chongqing'e ulaşması ve burada yakıt ikmali yapması plânlanmıştı. Bütün uçakların öncelikle ineceği meydan Zhuchou'du. Bir B-25'in yakıt seviyesi aşırı azaldığından en yakınındaki Rusya kıyılarına yönelmişti.

B-25'ler Çin'e doğru uçarken beklenmedik birkaç sorunla karşılaşmışlardı: Hava kararmak üzereydi, yakıt miktarı çok azalmıştı ve hava bozmaya başlamıştı. Güzel bir rastlantı sonucu uçaklar hedeflerini bombaladıktan sonra Çin'e doğru uçarken yedi saat boyunca arkadan rüzgâr almışlar ve kuyruktan alınan rüzgâr uçakların yer süratini 25 knot arttırmıştı. Eğer arkadan esen rüzgâr olmasaydı, hiçbir uçak Çin'e ulaşamayacaktı. Olumsuzluklar nedeniyle pilotlar Çin'de inmeyi plânladıkları meydanlara ulaşamayacaklarını anlamışlardı. Bu durumda önlerinde iki seçenek vardı: Birinci seçenek Çin toprakları üzerinde uçaklarını paraşütle atlayarak terk etmek, ikinci seçenek Çin kıyıları boyunca uygun görülen yere kırımı göre alarak inmeyi denemekti. Uçak gemisinden kalktıktan 13 saat sonra Çin kıyılarına ulaşan 15 B-25 uçağı kırım geçirerek inmişti. Bir B-25 uçağı Vladivostok şehrinin 65 kilometre (40 mil) yakınına inmişti. Rusya'ya inen uçağın mürettebatı enterne edildiği İran'dan 1943 yılında kurtarılmıştı. Bu görev uçuşunda B-25 "Mitchell" orta bombardıman uçakları yaklaşık olarak 3,600 kilometre (2,250 mil) uçarak en uzun muharebe uçuş görevini yerine getirmişlerdi.

Doolittle ve uçuş ekibi Çin'e paraşütle güvenli olarak indikten sonra hem Çinli asker ve sivillerden hem de Çin'de yaşayan Amerikalı misyoner John Birch'den yardım almıştı. Görev sonunda tüm uçaklar kullanılmaz duruma geldiği için Doolittle bu görevi başarısız olarak değerlendirmişti.

Kayıp personelin akıbeti:

Japon hedeflerine bombardımandan sonra uçuş mürettebatının büyük çoğunluğu Çin'e ulaşmayı başarmış, Çinli asker ve sivillerden yardım almıştı. Uçuş mürettebatına yardım eden Çinliler bu davranışlarını pahalıya ödemişlerdi. Japon askerleri Zhejiang ve Jiangxi bölgelerinde Amerikalılara yardım eden Çinlileri baskı altına almıştı. Japon askerleri Doolittle ve diğer uçuş mürettebatını aramaları sırasında tahmini 250.000 sivili öldürmüştü. İki uçağın toplam 10 kişilik mürettebatından haber alınamamıştı. Birleşik Devletler 15 Ağustos 1942'de Şanghay'daki İsviçre Konsolosluğu'ndan 8 mürettebatın (İki mürettebat kırımlı iniş sırasında boğularak yaşamını yitirmişti) Şanghay'daki Japon polis merkezinde gözetim altında olduklarını öğrendi. Japonlar 19 Ekim 1942'de sekiz mürettebatın ölüm cezasına çarptırıldıklarını,  daha sonra birkaçının cezasının hafifletilerek ömür boyu hapse çevrildiğini açıkladı. Radyo yayınında isim ve başka bir bilgi verilmemişti. Japon propagandası hava saldırısını alaya alıyordu. Bombardımanı "Hiçbir şey yapmayan saldırı" olarak nitelendiriyor ve birkaç B-25'i düşürdüklerini söyleyerek övünüyorlardı. Gerçekte B-25'ler ve mürettebatı bombardıman esnasında hiçbir kayıp vermemişlerdi.

İki uçak mürettebatının durumu savaştan sonra Şahghay'da savaş suçları mahkemesinde ortaya çıkarıldı. Şubat 1946'da dört Japon subayı esir alınan sekiz mürettebata kötü davranmaktan yargılandı. İki uçak mürettebatı; astsubay William J. Dieter ve Çavuş Donald E. Fitzmaurice, B-25'in Çin kıyısına kırımlı olarak inmesinden sonra boğularak yaşamını yitirmişti. Diğer sekiz mürettebattan; Üsteğmenler Dean E. Hallmark, Robert J. Meder, Chase Nielsen, William G. Farrow, Robert L. Hite, George Barr ve Onbaşılar Harold A. Spatz ile Jacop DeShazer esir edilmişti. Esir alınan Amerikalılar işkence görmüş, aç bırakılmış ve bu kötü duruma ek olarak dizanteri ve beriberi hastalığına yakalanmışlardı. 28 Ağustos 1942'de pilotlar Hallmark ve Farrow ile silahçı Spatz göstermelik olarak mahkemeye çıkarılmıştı. Kötü muamele görmelerine ve baskı altında tutulmalarına rağmen üç havacı mahkemeye herhangi bir bilgi vermemişlerdi. 14 Ekim 1942'de üç Amerikalının ertesi gün idam edilmelerine karar verilmişti. 15 Ekim 1942 günü saat 16:30'da üç Amerikalı havacı kamyonla götürüldüğü Şanghay'daki mezarlıkta bir manga Japon askeri tarafından kurşuna dizilmişti.

Askeri hapishanede bulunan diğer beş esir Amerikalı havacının sağlığı  beslenme yetersizliği nedeniyle hızla bozulmaya başlamıştı. Nisan 1943'de Nanking'e götürülen beş Amerikalı havacıdan Meder 1 Aralık 1943'de ölmüştü. Sonunda kalan dört esir; Nielsen, Hite, Barr ile DeShazer az da olsa tedavi görmüş, İncil ve birkaç kitap okumalarına izin verilmişti. Hayatta kalan dört havacı Ağustos 1945'de Amerikan birlikleri tarafından kurtarılmıştı. Doolittle'ın esir edilen sekiz uçuş mürettebatına savaş suçu işlemekten yargılanan dört  Japon subayı suçlu bulundu. Üç Japon subayı beş yıl ağır hapis, bir Japon subayı dokuz yıl hapis cezası aldı.

Bombardıman görevinde sadece bir uçuş mürettebatı kayboldu. Çin üzerinde paraşütle atlarken hayatını kaybeden Onbaşı Leland D. Faktor'dan bir daha haber alınamadı.

Göreve dönen uçuş mürettebatı:

Baskından sonra Doolittle bombardıman görevine katılan ekibine; 16 uçağın kaybedildiğini, bombalanan hedeflerde küçük çaplı hasar meydana geldiğini bu nedenle Birleşik Devletlere döndüğünde askeri mahkemeye verileceğini düşündüğünü söylemişti. Düşündüğünün tam tersine, Yarbay Doolittle ülkesine döndüğünde bombardımanın Amerikan halkı üzerinde büyük ölçüde olumlu etki yapması nedeniyle Başkan Roosevelt tarafından Şeref Madalyası ile ödüllendirilmiş ve albay rütbesi atlatılarak tuğgeneralliğe yükseltilmişti. İkinci Dünya Savaşı'nın son üç yılında Kuzey Afrika'da 12 nci, Akdeniz'de 15 nci ve İngiltere'de 8 nci Hava Kuvvetine komuta etmişti.