九九式各携一枚250千克爆破弹，九七式各携2枚250千克穿甲弹或是1枚250千克加6枚60千克炸弹。空中总指挥兼水平轰炸机领队长机是“瑞鹤”号飞行长岛崎和重少佐，俯冲轰炸机领队是“苍龙”号飞行长江草隆繁少佐，战斗机领队是进藤三郎大尉，这一批飞机是七时十五分从航空母舰上起飞的，经过一小时二十五分钟的飞行赶来的。
　　八时五十五分，开始第二波攻击。日军战斗机首先对空中的零星美机进行攻击，以确保掌握制空权。美军汉斯·克利斯汀少尉、乔治·怀特曼少尉和萨缪尔·比谢普少尉跳上3架P—40战斗机从瓦胡岛东部的贝洛机场强行起飞，结果汉斯·克利斯汀少尉刚爬入机舱还未开始滑行，就被日机击中，机毁人亡。其余两人尽管起飞升空，很快也被日机击落。第四十六驱逐机中队六位飞行员在路易斯·桑德斯中尉的率领下驾驶P—36战斗机起飞，他们对正在轰炸一处机场的六架日机发起攻击，日机见有美机迎战便仓卒逃走，美机猛扑过去，桑德斯对领队日机开火，日机立刻冒着浓烟，摇摇晃晃地坠海。戈登·斯特林少尉紧盯住一架敌机，另一架日机则在他尾后向他开火，斯特林座机中弹起火但仍继续射击前面的日机，两架飞机一齐坠落。混战中美机共击落两架日机，菲利普·拉斯姆森少尉福星高照，驾驶着被打出544个弹孔的座机安全落地！这些英勇升空迎战的飞行员后来都获得了银星勋章和紫心勋章。日机在肃清了空中的美机后便转入对地面目标的扫射，水平轰炸机攻击了卡纽黑、希凯姆和福特岛三处机场。俯冲轰炸机则对有弹幕射出的军舰进行俯冲轰炸，这样就能避免重复攻击已受重创的美舰。“内华达”号战列舰正由拖船拖往韦波角，成为日机集中攻击的目标，舰上的消防管被炸断，只好由拖船用水泵全力协助该舰灭火。当日机见锚地里停泊的军舰都已沉没或起火，便转而攻击在船坞里的舰船。“宾夕法尼亚”号战列舰正在船坞里大修没被第一波的鱼雷机发现，所以没有受到攻击。但被第二波的日机投下的一枚炸弹命中，炸坏了小艇甲板。“肖”号驱逐舰被炸飞了舰首，起火的燃油随海水四下蔓延，引爆了在船坞里的另二艘军舰。在北部港湾里停泊的辅助船只也被第二波的日机炸沉炸伤多艘。
　　空袭开始不久，夏威夷医药协会总会便接到救护伤员的紧急电话，二十分钟里，医生和志愿者就已经把担架和医疗器械装上汽车，直奔现场。汽车大队的妇女驾驶着每辆可用的汽车，搭载兵员驰往珍珠港。公路上的情况已是一片混乱，军方车辆、消防车、救护车和几百辆运送官兵奔赴作战岗位的计程车，塞满了十千米长的公路上，喇叭声响彻云霄。汽车大队的女驾驶员表现尤其出色，真可谓巾帼不让须眉。受伤的官兵被紧急送往翠普勒陆军医院，院方急召檀香山的医生参加救护，正巧有五十名医生正在听纽约的约翰·穆尔黑德博士讲解战时外科手术，立刻赶往医院，投入救护工作。穆尔黑德博士刚示范过一项新医疗仪器，能很快测出人体内金属。那天早晨，这种仪器表现出巨大价值，节省了许多等待冲洗X光底片的宝贵时间。
　　在海军医院，原来在院内治疗休养的病人被送到外面的临时病房，为由担架抬来的受伤人员腾出病床。许多年轻的水兵断臂缺腿，还有几百名被烈焰灼伤。这些年轻人的勇气令人难以置信——病房里满是伤患人员，许多人伤势严重甚至已经奄奄一息，但却是一片静寂，无人呻吟。
　　在第一攻击波后，美军已做好了战斗准备，因此第二波遭到了较为猛烈的高射炮火射击。有20架日机被击落，其中战斗机6架，轰炸机14架。
　　九时四十五分，第二波的飞机开始返航。渊田驾机绕珍珠港低空盘旋一周拍摄了被炸后的情景，才最后一个返航。
　　十时，由哈尔西中将率领的以“企业”号航空母舰为核心的特混舰队，完成向威克岛运送增援战斗机的任务正在返回珍珠港的途中，接到太平洋舰队司令金梅尔上将的命令，向南追击日军舰队。这一命令是根据一连串错误的报告和无线电定位下达的，幸亏是错误的方向，不然，哈尔西的这支小舰队要是真的同日军舰队交手的话，肯定会被日军消灭，那么就不可能有日后在太平洋上立下赫赫战功的哈尔西和“企业”号航空母舰。徒劳无功的哈尔西率领舰队于12月9日下午才返回珍珠港。
　　十一时，医院血库的血浆存量锐减，福雷斯特·平克顿医生立即广播呼吁献血。半小时内已有五百人聚集在医院门外等候献血，医护人员分十二个地点验血、抽血，但仍感人手不足，有的人竟然足足排了七个小时才献上血。
　　十三时，日军第二攻击波的飞机陆续返回航空母舰降落。渊田最后降落，他和第二航母舰队司令山口多闻少将都强烈要求进行第三次攻击。但是南云认为，攻击已取得了巨大成功，而美军的航空母舰和潜艇都没出现，如果突击编队在这一海域逗留时间过长，会遭到攻击，增加不必要的损失。他现在最重要的任务就是要把这支日本海军的主力舰队安全带回日本。所以拒绝了渊田和山口的建议，下令返航。突击编队收回飞机后，立即高速北撤，至12月9日已远离珍珠港1100千米以上。
　　12月15日，返航途中的突击编队接到山本的命令，派出若干兵力支援威克岛登陆作战。根据这一命令南云抽调航母、巡洋舰和驱逐舰各2艘，前去支援威克岛登陆作战，自己率主力继续返航。
　　12月23日，突击编队主力安全回到日本濑户内海。
　　12月28日，支援威克岛的8艘军舰完成任务回到柱岛基地。
　　没有与突击编队一起行动的中途岛破袭部队于11月28日从日本馆山起航，按预定计划于12月8日深夜炮击了中途岛，共发射127毫米炮弹300发，给中途岛美军造成了一定损失，然后调头返航，于12月21日回到濑户内海。
　　后来接替金梅尔继任美国太平洋舰队司令的尼米兹上将认为南云把突击时间限定为一天，突击目标又限定在有限范围里，没有最大限度利用这一来之不易的绝好机会。山本五十六评价南云是个庸材，说他在指挥时就象小贼入室行窃，开始时志在必得，胆大包天，稍一得手便心虚胆怯急于溜走。由于日军没有进行第三次攻击，而前两次攻击中日军又只重视对军事目标的打击，根本没有攻击珍珠港各种修造船设施齐全的造船厂和储存有4万加仑燃油的油库。日后美军正是利用造船厂的设备迅速打捞修复受创的军舰，正是利用油库的燃油使得航母频频出击，在短时间里恢复了太平洋舰队的战斗力。设想一下，日军即使只炸毁了油库，也足以让完整无损的太平洋舰队在六个月里无法出动。这是日军在这次偷袭中最大的失误！
　　另外在日机空袭时，从加利福尼亚飞来的12架B—17轰炸机和从“企业”号航空母舰上起飞的18架SBD“无畏”式俯冲轰炸机，正好飞到珍珠港。这两批飞机都是经过长途飞行，油料所剩无几，无法另寻机场着陆，只好冒着日机的轰炸和美军的高射炮火强行降落，在一片混乱中，共损失了2架B—17和10架无畏。
　　当日军飞机开始轰炸后，潜入珍珠港的日军伊—16号袖珍潜艇由横山正治中尉和上田定二军士长驾驶也趁火打劫，发射两枚鱼雷均未击中目标，并于晚二十二时许向母艇发出攻击成功的电报，后被美军击沉。伊—24号袖珍潜艇在港口入口处被美舰发现，遭到攻击后带伤逃脱，由于伤势较重操纵失控，致使两次触礁，加上畜电池电力耗尽，无法发射鱼雷，两名艇员只好弃艇。其他的两艘袖珍潜艇都先后在珍珠港的入口处被美军击沉。这支特别攻击队的十名艇员中只有伊—24号艇的艇长酒卷和男少尉侥幸生还，成为太平洋战争中第一个被美军俘虏的日军。
　　日军部署在珍珠港周围共有20艘潜艇，一来用于侦察监视，二来准备伏击在空袭时企图出港躲避或是追击日军舰队的美舰，由于在空袭时并无美舰出港，所以未有战果。倒是“伊—70”号潜艇在12月9日下午跟踪返航的美军“企业”号航空母舰编队时被美军飞机发现后击沉，艇上68名官兵无一幸存。其余潜艇在攻击结束后陆续撤离珍珠港。
　　整个空袭行动持续约两小时，真正的攻击时间约一小时三十分。日军共消耗鱼雷40条，各种炸弹556枚，总计约144吨。战斗中损失飞机29架，由于日军飞行员都抱着必死的决心，全都不带降落伞，所以机上55名飞行员全部阵亡。加上起飞时有1架飞机因故障坠毁，返航时有2架飞机因迷航而坠毁，总共损失飞机32架。还损失1艘大型潜艇和5艘袖珍潜艇，阵亡艇员77人，被俘1人。总计人员损失133人。
　　美军有四艘战列舰“亚利桑那”号、“加利福尼亚”号、“西弗吉尼亚”号和“俄克拉荷马”号以及一艘布雷舰“奥格拉拉”号，一艘靶舰“犹他”号沉没。一艘战列舰，三艘巡洋舰，三艘驱逐舰重创，三艘战列舰，三艘巡洋舰，五艘辅助舰轻伤。飞机被毁260架，伤63架。人员死亡2334人，失踪916人，伤1341人。
　　“加利福尼亚”号、“西弗吉尼亚”号后来被打捞起来，重新参战。

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