美军在1945年2月23日至24日首次对东京采取大规模燃烧弹攻势，当晚174架B-29轰炸机在东京抛下大量凝固汽油弹，把东京约2.56平方千米的地方焚毁。
随后在3月9日至10日，美军再派出334架B-29轰炸机从马利亚纳群岛出发，再次使用凝固汽油弹对东京进行持续2小时的地毯式轰炸，每架飞机携带六至八吨燃烧弹，燃烧面积可达6500平方米。为避免不必要的伤亡，空袭时各轰炸机单独轰炸而不进行编队。当晚东京出现火灾旋风，334架B-29共投下了超过2千吨燃烧弹，产生的高温足以使区内所有可燃物(包括人体)烧着，造成近10万人死亡，近41平方千米的地方被焚毁，主要是皇居以东的地区，东京约有四分之一被夷为平地，其中18%是工业区，63%是商业区，其余是住宅区。计划中的22个工业目标全部摧毁，26万7千多幢建筑付之一炬，上百万人无家可归，83793人被烧死，10万被烧成重伤。空袭中有9架B-29被击落，5架负重伤并在海面迫降，42架受伤其余飞机返回了基地。大火之后的清理工作进行了25天。
3月9日的轰炸可能是人类历史上最具破坏性的非核武空袭，这比二次大战中任何一次军事行动都造成了更多的伤亡，破坏力可以和后来的原爆相比。
火攻东京后不到30小时，317架B-29轰炸机又夜袭名古屋，使该市的飞机制造中心化成一团火焰。13日，日本第二大城市大阪也遭到了300架B-29的轰炸，使用了1700吨燃烧弹，约20.7平方千米的市区在3小时内焚毁。16日，美军又轰炸神户，使其造船中心被摧毁。美军于四、五、六月又大举空袭日本各大中小城市。4月13日，皇宫与宫殿一部分被焚烧，明治神宫化为乌有。7月4日时美军宣布当时日本已遭受10万吨炸弹的轰炸。
美军轰炸过程中许多东京市民逃离出城。策划轰炸行动的柯蒂斯·李梅派美机投下警告传单，通知下一步轰炸的目标，使他们更加恐惧。仅东京就有上百万人逃往农村，工厂工人的出勤率不到从前的一半。轰炸东京及其他城市使日本战时经济陷入瘫痪。
其后美军在5月26日再一次派出470架飞机轰炸东京，造成7415人死伤，22万间房屋被焚毁。连月来轰炸使东京有一半的建筑物被摧毁。