Согласно теоретическим расчетам, большую часть пути экипажам предстояло преодолевать над морем на высоте 6–7 тысяч метров. Общая продолжительность полета составляла около 7 часов. Топлива хватало в обрез, и, чтобы в баках во время посадки оставался его аварийный остаток, требовалось сбрасывать бомбы с первого же захода. Это сокращало время пребывания самолетов над целью, но, с другой стороны, снижало опасность негативного воздействия на них системы ПВО противника. Ведь Берлин защищали сотни ночных истребителей, большое количество прожекторов, зенитных орудий и аэростатов заграждения! Для проверки расчетов в ночь на 5 августа пятерка ДБ-ЗФ совершила разведывательный полет в район Берлина, и в целом он закончился положительно — в баках остался 20 %-ный запас горючего, а немцы не заметили летящие на большой высоте самолеты.
К вечеру 7 августа 15 бомбардировщиков были подготовлены к боевому вылету. С них сняли все лишнее оборудование и до отказа загрузили топливом. Каждый самолет нес 800 кг фугасных и зажигательных бомб, в основном весом по 100 и 250 кг. В 21:00 бомбардировщики начали разбег, с трудом отрываясь от земли в самом конце взлетно-посадочной полосы. В воздухе они разбились на три группы по пять самолетов, командование над которыми приняли Б.Н. Преображенский, А.Я. Ефремов и В.А. Гречишников. Два с половиной часа бомбардировщики шли над морем на высоте 6500 м, а потом развернулись на юг возле датского острова Борнхольм. Температура за бортом составляла — 38 °C и в негерметичных кабинах царил холод, от которого не спасали даже меховые комбинезоны. Обнаружить береговую черту помогли сами немцы, осветившие аэродром Штеттина, где проводились ночные полеты. Далее путь лежал вдоль автострады Штеттин — Берлин. Столица Германии вначале появилась в виде светлого пятнышка на горизонте, а затем огни Берлина охватили внизу значительную территорию.
«С семикилометровой высоты большой город был хорошо виден, — вспоминал стрелок-радист флагманского самолета В.М. Кротенко. — Он распростерся как паук, расцвеченный огнями электричества, свидетельствовавшими, что нас не ждали. Город не замаскирован.
— Цель под нами. Боевой курс, — подал команду штурман. Последняя прямая, и вскоре самолет вздрогнул, как бы подпрыгнув слегка вверх. В мою кабину проникал характерный запах сработавших пиропатронов. Тяжелые бомбы устремились вниз.
— Это вам за Москву, за Ленинград! — выкрикнул Хохлов, дублируя сброс бомб рычагом аварийного сбрасывания.
Я вытолкнул ногой большой пакет с 10 тысячами листовок — «подарок» фашистам от нашего комиссара Оганезова. На листовках — фотографии разбитой техники и трупы немецких солдат, погибших на советском фронте.
Мы с Рудаковым наклонились к люку и внимательно смотрели на зловещий ночной Берлин. Надо обязательно увидеть взрывы бомб. И секунд через 50 мы их увидели — две больших желтокрасных вспышки в центре цели. Доложили об этом Преображенскому и Хохлову. В Берлине начало гаснуть электроосвещение. Включив тумблер передатчика, я радировал ключом в штаб: «Мое место Берлин. Задание выполнено. Возвращаемся на базу». Рудаков повторил радиограмму.
Я поднялся в астролюк. Вокруг самолета рвались зенитные снаряды. «Дотянем ли до моря? Собьют», — мелькнула тревожная мысль. Но она исчезла, когда увидел, с каким искусством Преображенский выполнял противозенитные маневры.
В затемненном Берлине вспыхнул пожар. Это бомбили летевшие сзади летчики. Преображенский резко менял направление и высоту, вел машину на приглушенных моторах. Через 30 минут, показавшихся нам бесконечно долгими, зенитный огонь прекратился. Мы неслись над волнами Балтики, «угостив» столицу фашистов тоннами фугасных и зажигательных бомб…
Советские бомбы были сброшены на промышленные объекты, вокзалы и телеграф Берлина. Все бомбардировщики вернулись назад невредимыми.
Второй налет на Берлин состоялся в ночь на 10 августа, на этот раз немецкие зенитки сбили один самолет, экипаж которого пропал без вести. Третий вылет начался с трагедии и поэтому был на пару дней отложен. В целях эксперимента на двух ДБ-ЗФ повысили бомбовую нагрузку до 1000 кг, так как Сталин лично потребовал увеличить калибр сбрасываемых на Берлин бомб. Эти самолеты взлетали почти одновременно с двух разных аэродромов. С аэродрома Кагул попытался подняться в воздух с одной бомбой ФАБ-1000 экипаж Гречишникова. Однако в конце полосы бомбардировщик едва сумел оторваться от земли, перелетел через изгородь, вновь ударился колесами о землю, снес шасси и загорелся на развороте. Экипаж быстро покинул машину и остался цел. На Асте все оказалось гораздо хуже. Самолет Павлова с двумя бомбами ФАБ-500 вообще не смог оторваться от земли, врезался на краю аэродрома в препятствия и мгновенно взорвался. Весь его экипаж погиб.