十五分钟后，机群在舰队上空集合完毕，编成预定队形，以３０００米高度向珍珠港飞去。空中总指挥兼水平轰炸机领队“赤城”号飞行长渊田美津雄中佐，鱼雷机领队是村田重治少佐，俯冲轰炸机领队是“翔鹤”号的高桥赫一少佐，战斗机领队是板谷茂少佐，所有飞机垂尾上均涂有三道黄色识别带。飞行途中，渊田为导航而收听檀香山的广播时，意外地收到他迫切需要的珍珠港天气预报，令他惊喜不已。
  六时三十分，美军的３架水上飞机在瓦胡岛南部海域进行例行的巡逻飞行时，发现可疑潜艇，飞行员使用密码向基地报告，以致延误了时间。
  六时三十七分，美军的“沃德”号护航驱逐舰发现正尾随“大火星”号拖靶船企图通过防潜网的袖珍潜艇，值勤军官威廉。戈普那中尉立即报告舰长威廉。奥特布里奇上尉，奥特布里奇舰长于六时四十分下令开火，六时四十五分“沃德”号三号炮开炮射击，第一发未中，第二发击中了袖珍潜艇的指挥台，这一炮也就成为太平洋战争中的“第一炮”！“沃德”号随后全速驶向潜艇的下潜处投下一串深水炸弹，将其击沉。——这是日军广尾彰少尉和片山义雄中士驾驶的伊—２０号袖珍潜艇。“沃德”号击沉袖珍潜艇后便向分区司令部报告。六时五十三分，“沃德”号第二次发出报告。分区司令部值班军官卡明斯基中校漫不经心，要求进行核查。直到七时四十分，分区司令克劳德。布洛克少将才接到报告，他感到事态严重，下令加派“莫纳汉”号驱逐舰前去支援。此时距空袭开始仅有十分钟，为时已晚。
  七时零二分，设在瓦胡岛北端卡赫库角上的流动雷达站发现有大批飞机正向珍珠港飞来，距离约１６０千米。雷达兵约瑟夫。洛克德和乔治。埃利特立即报告情报中心，但值班军官克米特。泰勒中尉认为是从加利福尼亚飞来的飞机，不已为然地安慰雷达兵不要紧张，于是两名雷达兵就眼睁睁地注视日军飞机越飞越近，直到七时三十九分日机临空。
  七时三十分，（华盛顿时间下午一时），这是日本外交部规定的递交最后通牒的时间，由于领事馆解雇了美籍工作人员，日方人员的英文打字速度太慢，文件还没有打印好，也就无法按时递交。野村大使的助手打电话给美国国务院，将原定的约见时间推迟至一时三十分。
  七时三十五分，日军机群飞临瓦胡岛，珍珠港全景尽收眼底，美军战列舰独特的笼式和三足式桅杆清晰可见。
  七时四十分，日军飞机展开成攻击队形。为取得最大的战果，日军制订有两套攻击方案，一是奇袭方案，在美军没有戒备时采用，先由鱼雷机攻击，再由轰炸机攻击。二是强攻方案，在美军已有准备时采用，先由轰炸机攻击，压制和吸引防空火力，再由鱼雷机攻击。战斗机则不论哪种方案都要抢占有利高度，以夺取制空权。采取何种方案是由空中指挥官临机决定。规定一发信号弹是奇袭，二发信号弹是强攻。渊田见美军毫无戒备，决定采取奇袭方案，打出一发信号弹，由于战斗机被云层遮掩，没有看到信号，渊田就再向战斗机打了一发信号弹，这次战斗机看到了，立即爬高抢占有利高度，但却让俯冲轰炸机的长机误为是二发信号弹，采用强攻方案，便加速向机场飞去。
  七时四十九分，渊田下令全体攻击！后座通信员立即拍发攻击命令：突！突！突！
  七时五十三分，渊田见美军毫无防备，知道攻击必然成功，便不等战斗打响，就急不可耐地命令拍发胜利密码：托拉！托拉！托拉！意为“虎！虎！虎！”令人惊奇的是，九七式飞机功率并不大的机载电台所发出的电波竟穿越漫漫太平洋，被远在万里之外的“大和”号战列舰接收到。
  七时五十五分，俯冲轰炸机首先从４０００米高度向希凯姆机场、惠勒机场、福特岛机场进行大角度俯冲投弹，一时间机场上弹片横飞，火光冲天，浓烟四起。鱼雷机此时刚飞到造船厂，就见到机场上冒起的浓烟，领队长机村田少佐不由大吃一惊，他想奇袭方案应由鱼雷机首先攻击，怎么轰炸机先打响了？为了不被浓烟遮住目标，他立即率领鱼雷机队加速抄近路沿西部山谷于七时五十七分投入攻击。４０架鱼雷机分为两批，一批１６架对福特岛西侧锚泊军舰实施攻击，另一批２４架对福特岛东侧的战列舰进行重点攻击。
  七时五十八分，美军布雷舰队司令威廉。弗龙少将最先看到一架飞机俯冲投弹，起先他还以为是飞行员误触投弹按纽的意外事故，再仔细一看，飞机上鲜红的旭日机徽赫然在目，于是意识到是日军空袭，立即下令港内军舰出港规避。几乎同时，罗根。雷姆赛中校快步奔进福特岛指挥部，命令控制塔拉响空袭警报，并用口语广播宣布：“珍珠港遭到空袭！这不是演习！”随后，美国太平洋舰队司令金梅尔上将命令将这个惊人的消息用无线电通知太平洋舰队的所有部队。
  与此同时，美军的零星反击也开始了，一些美舰上的高炮开火了。岛上陆军的３３个高炮连仅有４个连开火，大多数高炮连的炮弹还在弹药库，根本来不及投入作战。整个珍珠港美军几乎没有有组织的抵抗。
  八时零五分，渊田率水平轰炸机经瓦胡岛西侧，从南面进入轰炸航线。五机一组，编成单机间距２００米的纵队队形，在３０００米高度，向福特岛东侧的战列舰和高炮火力比较集中的伊瓦机场进行轰炸。担任掩护的战斗机见没有美机升空，便分为６个编队对６处机场进行了扫射。
  八时十分，（华盛顿时间下午一时四十分），比日本外交部预定的递交最后通牒的时间晚了四十分钟，此时珍珠港的战斗已经打响二十分钟了。美国国务卿赫尔在接见日本代表前已经知道珍珠港遭到了偷袭，但是罗斯福总统要求他只要收下日方的答复，冷淡地把日方代表送走。于是赫尔装作认真地阅读了日方的答复，然后用难以掩饰的愤怒说：“这是我任职五十年来，从未见过如此卑鄙的政府和如此虚伪歪曲的文件！”正是由于在递交正式宣战的文件之前，日本就发动了进攻，激起了美国举国上下无比的愤慨。山本在接到胜利的电文后，丝毫没有大胜的喜悦，对前来祝贺的部属只是淡淡地说：“我们只不过唤醒了一个沉睡的巨人。”
  美军第五十七驱逐机中队的五位飞行员，见所在的惠勒机场已遭严重破坏无法起飞飞机，便立即搭乘两辆汽车冒着日机的炮火一路飞奔到偏僻的哈罗瓦机场，日军显然没有注意到这个小机场上竟有５架Ｐ－４０和１架Ｐ－３６，八时十五分，肯尼斯。泰勒少尉、乔治。威尔少尉、哈利。布郎少尉、罗伯特。罗杰斯少尉和约翰。戴恩斯少尉驾驶５架Ｐ－４０战斗机起飞，这是美军第一批升空迎战的飞机，在巴伯斯角上空与日军十二架飞机展开激战，共击落三架日机。空战中威尔少尉座机的三挺机枪中有一挺因连续发射过热卡了膛，泰勒的胳臂和大腿都受了伤。他们刚刚降落，威尔的机枪还未冷却，泰勒也还没接受急救，第二批十五架日机又呼啸而至，两人又立即起飞迎敌。日机在泰勒飞机后方抢占了有利位置，正准备攻击，威尔见情况紧急迅速急转对准泰勒最具威胁的那架日机，连连开火，日机中弹起火坠毁，泰勒因此得救，威尔随即转向海上追击另一架日机，就在海岸外八千米处追上它，一阵急促而准确的射击将其击落。这批美机在空中奋力迎战，总共击落了７架日机，其中泰勒少尉、威尔少尉分别击落２架和４架，因此双双荣获优异服役十字勋章，尤其是威尔少尉取得了偷袭珍珠港中最高战绩，成为珍珠港第一英雄。美军后来又陆续从各机场起飞了２５架飞机，但是由于仓促应战，准备不足，协同不好，有的被日机击落，有的被己方高炮击落，没能有效阻止日军的攻击。
  八时二十五分，日军第一波飞机开始返航。渊田则继续留在珍珠港的上空，观察战果并指挥第二波飞机的攻击。在第一波攻击中，日军损失了９架飞机，其中鱼雷机５架，战斗机３架，轰炸机１架。日军第一波的攻击目标主要是美军的战列舰。“亚利桑那”号被击中二条鱼雷，后来又被四枚８００千克重磅炸弹命中，更致命的是其中一枚炸弹穿透前甲板，在弹药舱爆炸，引发了惊天动地的大爆炸，致使该舰在几分钟里沉没，全舰１０００余名官兵无一生还。“西弗吉尼亚”号左舷被击中六条鱼雷，尽管损管人员奋力抢救，仍无法控制住左倾，最终倾覆沉没。“西弗吉尼亚”号上的重量级拳击冠军二等炊事兵陶乐斯。米勒积极救助伤员，后又操作高射机枪猛烈射击日机，正因为他的英勇表现使他成为美国海军第一位荣获优异服役十字勋章的黑人士兵，并由继任太平洋舰队总司令的尼米兹上将亲自授勋。“加利福尼亚”号被三条鱼雷分别击中舰桥下方、３号炮塔下方和左舷中部，并有一枚８００千克炸弹穿透甲板在舱内爆炸，使得舰首上翘，沉入海底。“俄克拉荷马”号接连被三条鱼雷击中左舷，由于该舰水密性较差，爆炸又震开许多水密门，海水汹涌而入，加上舰长不在舰上，无人指挥，所以很快沉没。“田纳西”号虽然只被击中三枚炸弹，但受到外侧“西弗吉尼亚”号沉没时的挤压，又被后面相距仅２３米的“亚利桑那”号爆炸的火焰波及，引起上层建筑多处起火，导致重创。