珍珠港遭袭之后，美军战场上连吃败仗。公众一片哗然，士气低落。
1941年12月21日在白宫召开的参谋总长联席会议上，美国总统富兰克林·D·罗斯福向与会成员指示军队应尽快组织针对日本的报复性打击。
空袭东京的想法由当时负责《反潜法案》的海军参谋次长——弗兰西斯·罗尔上校(Capt.Francis Low)。他曾经几番视察位于弗吉尼亚州诺福克的海军机场，发现那里的跑道涂上了航空母舰甲板上的图案，用作飞机着舰训练。
1942年1月10日，弗兰西斯·罗尔向时任美国海军舰队总司令兼海军作战部长厄内斯特·金(Adm.Ernest J. King)汇报了这一发现。他认为只要加以训练，双引擎的陆基轰炸机完全能够从航母甲板上起飞，金对罗尔的观点表示同意，遂任命本已退役的美国陆军航空兵中校詹姆斯·哈罗德·杜立特(Lt. Col.James Harold Doolittle)负责策划方案并带领行动。杜立特退役之后，从事民用飞行事业，是当时著名的飞行员和航空工程师。
执行空袭的轰炸机方面，要求至少能携带一枚重达2000磅(910公斤)的炸弹续航2400海里(4400公里)，在当时所有的飞机中，最终选中了北美航空公司出产的B-25B米切尔轰炸机。军方也曾考虑过B-26“劫掠者”、B-18“波洛”和B-23“龙”三款轰炸机，但因各种理由未予使用：B-26起飞时的最短滑行距离超过了航母甲板;B-23的机翼宽度比B-25大了近一半，占地太大，若带上航母，不仅作战飞机数量要削减，更有可能撞上舰岛。几番斟酌后，杜立特选择了B-18和B-25。但不久B-18也因机翼太宽被淘汰。
B-25在当时属新款飞机，未曾参与过实战，这也是杜立特所担心的一点。但之后B-25的测试显示了它足以满足此次空袭的要求。在杜立特首次汇报方案时，他的计划是空袭结束后，飞机可以飞往前苏联海参崴，这样航程就可缩短600海里(1000公里)，依据租赁法案，着陆之后这些B-25可暂时移交给苏联，机组人员就可返回美国。
为此白宫派专员前往苏联密谈，却无果而终。原因在于苏联为避免陷入两线作战的窘境，便在1941年4月同日本签订了《苏日中立条约》，斯大林不想拿同美军合作来得罪日本。白宫认为，即便苏联同意降落，机组人员也有被移交给日方的危险。因此降落苏联的方案遭到否决。