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美军开始执行“火牛”轰炸行动，派出334架B-29轰炸机从马里亚纳群岛出发，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6,500平方米。为避免己方不必要的伤亡，空袭时各轰炸机单独轰炸而不进行编队。不少的飞机为了多载炸弹而拆除了自卫机枪，仅保留了尾部的机枪。开始由两队B29轰炸机先行进入目标区，投掷M29燃烧弹，引发一个十字燃烧区，其余轰炸机以此为标记进行投弹。
东京有不少建筑物（特别民宅）都是传统的木造建筑，所以猛烈的烧夷弹轰炸使当晚的东京出现了火灾旋风，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。美军轰炸计划中的22个工业目标全部被摧毁，26万7千多幢建筑付之一炬，上百万人无家可归，83,000余人被烧死，10万人被烧成重伤。大火之后的清理工作进行了25天。
火攻东京后不到30小时，317架B-29轰炸机又夜袭名古屋，摧毁了该市的飞机制造中心。13日，300架B-29轰炸了日本第二大城市大阪。 美军在轰炸中使用了1,700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，摧毁了其造船中心。
之后美军又于四、五、六月大举空袭日本各大中小城市。在5月25日一次派出470架飞机轰炸东京，22万间房屋被焚毁，但仅造成7,000余人死伤。连月来轰炸使东京有一半的建筑物被摧毁。 美军宣布截止到7月4日，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·李梅将军命令美军顶住日本防空力量的压力抛撒传单，事先通知下一步轰炸的目标。这种做法不但较为人道，也能打击日本国民的士气。仅东京一地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。
