За несколько минут до 8:00 на американские корабли обрушились первые бомбы и торпеды. Первый эшелон без проблем добрался к острову Форд, где стояли на якоре основные силы американцев. Противник оказался захвачен врасплох. Первым получил попадание торпедой линкор «Оклахома», который атаковали B5N2 с «Акаги». Другими целями торпедоносцев стали линкоры «Западная Виржиния» и «Теннеси». Первый из них получил семь попаданий торпед. Линкоры «Калифорния» и «Невада» также были атакованы самолетами с «Каги» и «Акаги». В свою очередь B5N2 авианосцев «Сорю» и «Хирю» пустили на дно старый линкор «Юта», а затем переключились на уже поврежденные «Оклахому» и «Западную Виржинию», а также меньшие корабли, оказавшиеся в порту. Тем временем в бой вступили бомбардировщики D3A1. Их бомбы поразили линкоры «Невада», «Теннеси», «Мэриленд», «Оклахома», «Западная Виржиния» и «Аризона». Одна из бомб, сброшенная звеном капитана Маки с авианосца «Хирю» поразила «Аризону» в районе второй башни главного калибра. Бомба пробила палубу и взорвалась в отсеке, где находились кубрики команды на третьей палубе. Вспыхнул пожар. Мгновенно огонь вызвал детонацию пороховых зарядов для катапульты.
Этот взрыв, в свою очередь, вызвал детонацию артиллерийского погреба с 356-мм и 127-мм снарядами, после чего корабль затонул. Одновременно японцы бомбили аэродромы Уиллерфилд, Беллоуз, Хикхем, а также авиабазы в Канеоэ и Эва.
Аэродромами «занимались» пикировщики D3A1 с «Сёкаку» и «Дзуйкаку». Потери американцев были огромны, так как все самолеты ровными рядами стояли вдоль взлетных полос. Базы располагали системой земляных укрытий для самолетов, но ими не пользовались, опасаясь саботажа. В результате японские пилоты без труда поражали скученно стоявшие американские самолеты.
Тем временем над Перл-Харбором показались самолеты второго эшелона. Эшелон насчитывал 167 самолетов, в том числе 78 пикировщиков D3A1 «Val», которых вел Такасиге Эгуса («Акаги» 18, «Kara» 26, «Сорю» 17 и «Хирю» 17), а также 54 бомбардировщиков B5N2 («Сёкаку» и «Дзуйкаку» по 27). На этот раз пикировщики атаковали корабли, а бомбардировщики ударили по аэродромам. Однако успешность налета второго эшелона оказалась хуже. Американская оборона ПВО сумела прийти в себя. Изготовились к бою орудийные расчеты, в воздух сумело подняться несколько истребителей. В результате, точность бомбометания упала, а потери возросли. Все же японцам удалось потопить несколько меньших кораблей. Но главная неудача постигла японцев, когда они попытались добить уходящую из порта «Неваду». Несмотря на атаку 23 самолетов, линкор удержался на плаву. Второй эшелон потерял 14 D3A1 и 6 А6М2, в то время как первый эшелон потерял только 5 B5N2, 1 D3A1 и 3 А6М2. Американские истребители Р-4 °C и Р-36С сбили десять японских самолетов, в том числе семь D3A1 и три А6М2.
В ходе налета японцам удалось потопить 12 и повредить 9 кораблей. Пошли на дно линкоры «Аризона», «Калифорния», «Невада», «Оклахома», «Западная Виржиния», и старый линкор «Юта». За ними последовали эсминцы «Даунз», «Кассин», «Шоу», постановщик мин «Оглала», буксир «Сотоёмо» и плавучий док FD-2. Повреждения получили линкоры «Мэриленд», «Теннеси», «Пенсильвания», крейсера «Хелена», «Гонолулу», «Рейли», эсминец «Хелм», а также ремонтный корабль «Вестал» и база гидропланов «Кертисс». В тактическом плане удар по Перл-Харбору казался грандиозной победой, но в стратегическом — настоящей катастрофой. Не удалось пустить на дно ни одного авианосца, которых просто не оказалось в Перл-Харборе. Это обстоятельство позволило американцам быстро качнуть чашу весов в свою пользу.