日本人對珍珠港共發動兩個波次的攻擊，為了對付可能出現的激烈對抗，還配備戰鬥機進行護航。
1.第一波攻擊
凌晨5時，就在「赤城」號航空母艦艱難穿過熱帶風暴區後，艦上執行第一波次攻擊任務的艦載機飛行員被喚醒，進行戰前準備。就在吃早餐期間，淵田美津雄意識到，這天的天氣條件實在太糟糕了，倘若這是一次軍事演習的話，肯定會被取消或者推遲進行。儘管淵田美津雄本身就是一名經驗豐富的海軍飛行員，但這一次，他卻乘坐在另外一名上尉飛行員駕駛的飛機上，以便騰出手來集中精力指揮作戰。
當淵田美津雄爬上自己的飛機座艙時，那名負責飛機機械維護工作的高級技師向他走過來，獻上一條白頭巾說道：「我們全體機械維護員都渴望能親自前往珍珠港，但是卻不能，我們希望您能夠戴上這條頭巾，象徵我們的心和您永遠在一起！」淵田美津雄接過白頭巾，按照日本武士道的方式將它系在自己頭盔上。
截至6時15分，第一波次183架飛機已經全部升空，以編隊形式朝著275海里之外的珍珠港撲去。隨著目標越來越近， 淵田美津雄打開座艙蓋，頭盔上的白頭巾迎風飄蕩，他向其他飛行員奮力揮舞雙臂，為他們加油助威，而後重新蓋上座艙蓋。此時，在編隊的下方仍然有著厚厚的雲層，淵田美津雄擔心它們有可能遮蔽目標。隨著太陽冉冉升起，他看到了紅彤彤的圓環，一下子就想到了日本海軍軍旗的圖案，他覺得這是一個好兆頭。很快地，淵田美津雄確信目標區上空將是陽光燦爛的好天氣，因為他從夏威夷廣播站收聽到當地天氣預報，他出色的英語水平幫了大忙。
早晨7時30分，第一波攻擊編隊在10000英尺高度上從瓦胡島北端飛過。指揮攻擊行動的淵田美津雄下令飛機進入攻擊陣位。7時49分，攻擊行動正式開始，淵田美津雄通過無線電呼叫突襲代碼「虎！虎！虎！」 這是日本人發起攻擊的代碼。 就在他們朝著目標越來越逼近的時候，淵田美津雄率先發射一枚火箭彈，通知整個編隊準備發起攻擊。這時候，只見村田立即率領著魚雷轟炸機群向著港口內停泊的艦艇撲去。 淵田美津雄發射了第二枚火箭彈，提醒戰鬥機機群加強防範，但這次卻被魚雷轟炸機群領隊誤以為當心敵軍戰鬥機的攻擊，於是，一度造成混亂和誤判。即便如此，對於最終的轟炸效果影響並不大。
7時58分，警報聲驟然響起：「空中襲擊，珍珠港，這不是演習！」在機群下方的珍珠港，有人突然間意識到厄運降臨。儘管有警報固然比沒有警報好，此時此刻卻沒有一個人在戰鬥崗位上，艦上人員不得不從艙室或餐廳里匆匆忙忙跑出來，尋找艦炮準備戰鬥。 自始至終，淵田美津雄一直在10000英尺的高度指揮作戰，他極度失望地發現，港口裡面居然沒有一艘航空母艦，不過，所有8艘戰列艦均全部在位，其中就包括位於干船塢的「賓夕法尼亞」號。甚至就連日本情報部門判斷仍在服役的「猶他」號戰列艦，這時候居然也在港內。
毫無疑問，港口內既沒有戰鬥機起飛攔截，也沒有防空炮火的激烈射擊，這使得日本飛行員大大鬆了一口氣。一時之間，「零」式戰鬥機競相向位於艾瓦、卡內奧赫海灣、希卡姆和惠勒的造船廠和飛機場發起俯衝，美軍飛機來不及起飛就被擊毀，美國陸軍航空隊和海軍至少有200架飛機被摧毀在地面上。 然而，對於大多數信奉「大艦巨炮」海軍的日本海軍高級官員來說，判斷偷襲行動是否成功，取決於美國海軍太平洋艦隊所損失的艦船規模。日本魚雷轟炸機飛行員發現，和義大利人在1940年11月的做法一樣，停泊在珍珠港里的美國戰列艦竟然沒有設置防魚雷網，這使得他們的轟炸行動如魚得水。日本的高空轟炸機從目標上空飛過時開始投彈，這時候，美國的防空炮火開始射擊，飛行員不得不保持較高的飛行高度。俯衝轟炸機對福特島上的港口設施進行猛烈轟炸，爆炸碎片飛舞，熊熊火光沖天。
沒過多久，珍珠港上空到處濃煙滾滾。 戰鬥中，淵田美津雄的座機被炮火擊中，差一點墜毀，但飛行員仍然努力使飛機保持平衡。淵田美津雄先後三次從他選定的目標——「亞利桑那」號戰列艦上空掠過，其中，在第二次飛過該艦時，他的飛機被「亞利桑那」號發生爆炸產生的氣流衝擊得左右搖擺。 在此前一年，「亞利桑那」號剛剛進行過現代化改建，加裝了雷達和額外的防空火炮。
在將所有的炸彈全部投完後，淵田美津雄並沒有立即返回，而是留下來等待第二波次的170架飛機前來攻擊。此時此刻，他的主要任務並非指揮編隊實施轟炸，而是為南雲忠一中將提供轟炸效果的評估報告。除了熊熊燃燒的「亞利桑那」號戰列艦外，需要報告的情況太多了。「俄克拉荷馬」號和「猶他」號戰列艦發生傾覆，「加利福尼亞」號和「西維吉尼亞」號開始沉入水中，輕巡洋艦「海倫娜」號受到重創。日軍第二波次攻擊編隊全部由轟炸機組成，這是因為美軍防空火炮此時開始發起攻擊，再出動魚雷轟炸機很容易被炮火擊中。
2.第二波攻擊
在第一波攻擊結束50分鐘後，第二波攻擊開始，但截至此時，美軍一些戰鬥機已經升空作戰，在被美軍擊落的29架日軍飛機中，大多數是執行第二波次攻擊任務的飛機。
在正下方的港口內，「內華達」號戰列艦艦長意識到，自己的戰艦要想獲得安全，最好的做法就是快速運動到海上，因為一艘快速移動的戰艦，對於戰鬥機而言是一個很難捕捉的目標。沒想到，他這種做法立即引起了日軍飛行員的注意，後者集中大量兵力對付它，希望最好能把該艦擊沉在港口出口處，從而使整個基地關閉幾個月。然而，雖然遭受了飽和攻擊，「內華達」號遭到重創，但艦長還是成功地使該艦倖存下來，並在遠離港口的地方擱淺，確保了進出港口航道的暢通。與此同時，第二波次的其他飛機給停泊在干船塢的「賓夕法尼亞」號戰列艦和2艘驅逐艦造成重創。 就其規模而言，這次攻擊行動遠遠超過了塔蘭托襲擊戰。二者之間的主要區別在於，有3艘戰艦在襲擊中發生爆炸，造成了極大的傷亡。
據統計，戰鬥中，共有3581名美國海軍人員死亡或重傷，其中，大多數屬於發生爆炸的3艘戰艦（「亞利桑那」號和2艘驅逐艦）上的人員，「俄克拉荷馬」號則發生傾覆。在攻擊中，美國陸軍航空隊和美國海軍總共損失了188架飛機。