中國空軍為了保證空襲的順利進行，做了精心的準備：第一，對轟炸機和護航戰鬥機群進行了改裝，分別增加了兩百加侖和五十加侖的油箱，轟炸機僅僅攜帶了兩噸炸彈，以增加航程，確保能夠順利返航；第二，轟炸機的戰鬥機飛行員和轟炸機組成員都是從空軍部隊中精心挑選出來的精英，並且進行了短期的集訓，使隊友之間能夠配合默契；第三，改善了轟炸機上的無線電定位系統和雷達，以保證遠程飛行的航向準確；第四，轟炸機群的指揮官由第五轟炸機中隊長陳煥升少校擔任，他是中央航校第一期畢業生，曾被選派到德國實習，並擔任過蔣介石的專機駕駛員，是中國空軍資深飛行員。
1944年2月22日上午三點半，十八架B—17重型轟炸機在四十八架『金雕』戰鬥機的護衛下從西安機場起飛，於六點四十分降落在鄭州軍用機場，添注燃油之後，於凌晨一點鐘起飛，以六千米的巡航高度向東而去。
升空之後，陳煥升果斷命令機械員打開信號燈，為其餘的飛機指示方向，以保持隊形，然後以每小時三百公里的速度從漆黑的夜空中掠過，悄無聲息地向東海飛去，廣袤無垠的天空中只有無數星星閃爍著淡淡的光芒。
進入蘇北日軍控制區上空之後，陳煥升下令把飛行速度提高到三百五十公里，同時不由自主地從飛機上往下看去——相對於日本國內的防空部隊來說，侵華日軍的防空部隊無論是訓練水平，還是警惕性都要高得多，如果被他們發現的話，整個行動很可能前功盡棄！
飛機下面是厚厚的雲層，連一點燈光都看不到，陳煥升緊張地觀察了好一會，卻沒有看到任何動靜，這才鬆了口氣，隨即命令機群保持航向和高度，繼續前進。
半個小時之後，機群順利進入東海海域，因為有可能遭遇日本聯合艦隊的境界船隻，陳煥升立即下令保持無線電靜默，隨後機群調轉方向，向東北方向疾馳而去！
凌晨四點二十分，機艙里響起投彈手激動的聲音：「報告，發現海岸線！」
「參照航行圖，確認目標！」陳煥升的不由自主地帶上了顫音——從明朝到現在，中華民族一直飽受日本的侵襲之苦，今天即將由自己還以顏色，怎麼能不激動呢！
「報告，目標確認無誤，我們已經抵達九州上空！」
陳煥升馬上命令道：「用信號燈通知其他飛機，機群已進入日本領空，降低高度，加速前進，目標——東京！」
說罷緩緩拉下操縱桿，二十多噸重的龐然大物逐漸加速，兇猛地撲向自己的獵物！
23日晨，五點十分，中國空軍的六十六架飛機除了兩架轟炸機失散之外，其餘的六十四架戰鬥轟炸機全部抵達東京上空，這時候，地面上的日本無線電台正在播報新聞。
陳煥升當即打開身旁的無線電收發機，高聲喊道：「弟兄們，報仇的時候到了！俯衝投彈！」接著他把無線電調到日本人的通話頻道，怒吼道：「小日本，準備迎接中國人民的禮物吧！」說罷駕駛轟炸機全速俯衝下去！
這時候，地面電台的新聞廣播突然停止了，廣播員用驚慌失措的語氣急急忙忙地講著日語，陳煥雖然聽不懂日語，但是也知道是在發送空襲警報，冷笑著說道：「來不及了！」然後看著在視野中逐漸清晰起來的建築物下達了投彈命令！
投彈手迅速打開了機腹彈艙門，投彈指示燈紅光閃爍，一枚枚重達兩百公斤的炸彈呼嘯著紛紛直墜而下，剎那間，密密麻麻的重磅炸彈雨點般地從半空中墜落下去，驚天動地的爆炸聲在凄厲的防空警報聲中接連響起，日本東京鋼鐵廠內的一棟棟建築物轟然倒塌，無數設備和人員在濃煙和烈火中化為灰燼，熊熊的火光不斷地向四周蔓延，很快燃起衝天大火！
直到這個時候，地面上才響起高射炮零星的射擊聲，幾束探照燈光匆忙在天空中掃過，來搜尋轟炸機的蹤跡。突然，十二架『金雕』高速從防空陣地上空掠過，在十幾秒鐘的時間內把數千發子彈傾瀉而下，高射炮頓時啞巴了一半，有限的幾台探照燈也全部被擊毀！重型轟炸機輪番俯衝，復仇的怒火化作一枚枚重磅炸彈，接連不斷地砸向地面，飛機上的機槍手們不甘落後，操縱機關槍猛烈掃射，把四處逃竄的日本人一片片掃倒。
兩輪投彈之後，轟炸機迅速爬升，沿著日本東海岸向南疾馳而去，準備依次對橫濱、名古屋、大阪等城市進行轟炸。在東京上空，從第一枚炸彈投下去，一直到結束轟炸，整個轟炸過程所用時間大約五分鐘，中國空軍沒有遇到一架日本戰鬥機的攔截，地面的高射炮火也非常微弱，根本沒有辦法組織起有效的抵抗。顯而易見，日本人根本沒有挨炸的思想準備，仍舊沉浸在皇軍無敵、天皇神佑的迷濛里！
等到從幻夢中被炸彈驚醒的日本人組織起反擊時，中國空軍已經出現在橫濱的上空，經過一個小時的空襲，把日本南部的幾座城市全部炸了一遍，等機群再次來到九州島上空的時候，大約四十架『零式』艦載機突然從雲層中間殺了出來，向中國戰鬥轟炸機群直衝過來。
嚴陣以待的『金雕』戰鬥機群猛然加速，從轟炸機群旁邊飛掠而過，然後以雙機編隊的形式毫不畏懼地迎了上去，近百架戰鬥機迅速散開隊形，在方圓兩三百平方公里的空域內廝殺起來！陳煥升立即指揮轟炸機編隊向高空爬升，在達到八千米的高度之後，加速向西飛去，與此同時，機載機槍對窮追不捨的日本戰鬥機猛烈掃射！
儘管『金雕』全力以赴，還是有十三架『零式』戰鬥機脫離戰鬥，緊緊跟在轟炸機的後面。這時候，B—17顯示出超強的抗打擊能力，儘管機身不斷傳來中彈的聲音，但是仍然非常平穩的飛行，而機載機槍的火力又非常兇猛，不時有敵機中彈起火，轟炸機旁邊的敵機數量越來越少。
突然，一架『零式』從陳煥升座機正面直衝過來，機關炮猛烈的射擊聲中，駕駛艙被炸得粉碎，副駕駛胸口出現一個碗口大的洞，鮮血瞬間就灑滿了整個艙室！
撲面而來的冷風如同刀子一樣鋒利，幾乎把陳煥升要凍僵了，但是卻無法遏制住他心頭的怒火，在『零式』擦身而過的瞬間，他猛地一拉操縱桿，機身隨即向旁邊斜了過去，巨大的機翼沉重地敲擊在對方的尾翼上，『零式』戰鬥機搖晃一下，隨即像石頭一樣墜落下去。
轟炸機也劇烈地搖晃起來，碰撞過的機翼連續顫動幾下，冒出幾串火星，然後恢複了平衡。死裡逃生的陳煥升總算鬆了口氣，駕駛著飛機不斷降低高度，然後在三千米的高度以每小時將近五百公里的速度迅速脫離戰場，此時，跟在他後面的轟炸機又少了一架！
這時候，匆忙趕到的十幾架『金雕』緊跟在轟炸機群後面的幾架『零式』截住，而五十公里外的地方，護航戰鬥機群正在與日軍戰鬥機陷入混戰之中。打亂隊形之後，雙機編隊各自為戰，往往剛剛咬住一架敵機，還沒來得及開火，對方就逃進雲層之中，沒追出多遠，自己又陷入了敵機的包圍之中，於是只好躲到雲層裡面去。這批『零式』戰鬥機顯然都是由經驗豐富的飛行員駕駛，進退有度，技術嫻熟，能夠充分利用小半徑筋斗和低速滾翻來發揮『零式』的優點。不幸的是，『金雕』在這兩項性能上的表現遠遠超過『零式』，再加上擁有速度上的優勢，很快就取得了空戰的優勢。
二十多分鐘之後，空戰戰場已經轉移到東海海域，中國空軍以八架『金雕』的代價擊落二十三架『零式』，取得了決定性的勝利。然而，日軍飛行員員知道中國戰鬥機遠離基地，燃油即將用盡，所以仍然死纏不放，正當護航機群準備將其殲滅的時候，從日本九州方向又飛來大批敵機。
戰鬥機中隊長見轟炸機群已經脫離了危險，護航任務圓滿完成，於是果斷下令脫離戰鬥。『金雕』相繼加速爬升，利用高度和速度的優勢擺脫了對方的追擊。
早上八點五十分，轟炸機群在鄭州機場降落，四十分鐘之後，護航戰鬥機群也安全降落，補充燃油之後，機群再次起飛，然後在成都機場降落，隨即得到當地民眾的熱烈歡迎！
至此，第一次轟炸日本勝利結束，中國空軍雖然損失了兩架遠處轟炸機（失散的兩架轟炸機，一架墜毀日本列島以東的太平洋上，另外一架返回了鄭州機場）和八架戰鬥機，但是卻沉重地打擊了開戰以來一直沉醉於勝利中的日本人！
在隨後的幾天時間裡，日本國民陷入惶恐不安之中，日本統帥部更是在25日舉行緊急會議，將負責日本本土防空的司令官按軍法處置，陸軍部次長辭職。儘管這次空襲本身給日本造成的損失並不大，然而這次空襲在心理上對日本人的打擊卻是無比巨大的，從而導致了日本戰略布局上的嚴重失誤！