美軍在1945年2月23日至24日首次對東京採取大規模燃燒彈攻勢，當晚174架B-29轟炸機在東京拋下大量凝固汽油彈，把東京約2.56平方千米的地方焚燬。
隨後在3月9日至10日，美軍再派出334架B-29轟炸機從馬利亞納羣島出發，再次使用凝固汽油彈對東京進行持續2小時的地毯式轟炸，每架飛機攜帶六至八噸燃燒彈，燃燒面積可達6500平方米。爲避免不必要的傷亡，空襲時各轟炸機單獨轟炸而不進行編隊。當晚東京出現火災旋風，334架B-29共投下了超過2千噸燃燒彈，產生的高溫足以使區內所有可燃物(包括人體)燒着，造成近10萬人死亡，近41平方千米的地方被焚燬，主要是皇居以東的地區，東京約有四分之一被夷爲平地，其中18%是工業區，63%是商業區，其餘是住宅區。計劃中的22個工業目標全部摧毀，26萬7千多幢建築付之一炬，上百萬人無家可歸，83793人被燒死，10萬被燒成重傷。空襲中有9架B-29被擊落，5架負重傷並在海面迫降，42架受傷其餘飛機返回了基地。大火之後的清理工作進行了25天。
3月9日的轟炸可能是人類歷史上最具破壞性的非核武空襲，這比二次大戰中任何一次軍事行動都造成了更多的傷亡，破壞力可以和後來的原爆相比。
火攻東京後不到30小時，317架B-29轟炸機又夜襲名古屋，使該市的飛機制造中心化成一團火焰。13日，日本第二大城市大阪也遭到了300架B-29的轟炸，使用了1700噸燃燒彈，約20.7平方千米的市區在3小時內焚燬。16日，美軍又轟炸神戶，使其造船中心被摧毀。美軍於四、五、六月又大舉空襲日本各大中小城市。4月13日，皇宮與宮殿一部分被焚燒，明治神宮化爲烏有。7月4日時美軍宣佈當時日本已遭受10萬噸炸彈的轟炸。
美軍轟炸過程中許多東京市民逃離出城。策劃轟炸行動的柯蒂斯·李梅派美機投下警告傳單，通知下一步轟炸的目標，使他們更加恐懼。僅東京就有上百萬人逃往農村，工廠工人的出勤率不到從前的一半。轟炸東京及其他城市使日本戰時經濟陷入癱瘓。
其後美軍在5月26日再一次派出470架飛機轟炸東京，造成7415人死傷，22萬間房屋被焚燬。連月來轟炸使東京有一半的建築物被摧毀。
