המדיניות של ההפצצה האסטרטגית הייתה ברורה לשני הצדדים לקראת פתיחת המלחמה, אך ההיערכות הייתה שונה. גרמניה הנאצית והקיסרות היפנית עשו שימוש בעיקר במפציצים דו מנועיים, שהיו יכולים לשאת מטען ייעודי במשקל פחות מ-2,300 ק"ג, ולאורך המלחמה לא פיתחו מפציצים גדולים יותר. בריטניה וארצות הברית פתחו גם הן את המלחמה עם מפציצים בגודל דומה, אך הכניסו לשירות, בהמשך המלחמה, מטוסים גדולים בהרבה, בעלי ארבעה מנועים, שנשאו מטען ייעודי במשקל גדול יותר, עד 9 טונות במפציצים מדגם בואינג B-29 סטרטופורטרס, ועד 10 טונות במפציצי אברו לנקסטר שהותאמו במיוחד לשאת פצצות מטיפוס גראנד סלאם.
עם תחילתה של פלישת גרמניה הנאצית לפולין ב-1 בספטמבר 1939, קרא פרנקלין דלאנו רוזוולט, נשיא ארצות הברית (שהייתה אז נייטרלית) לצדדים הלוחמים להגביל את התקיפות האוויריות שלהם למטרות צבאיות בלבד, ו"בשום פנים ואופן לא לבצע הפצצות מהאוויר של אוכלוסיות אזרחיות בערים לא מבוצרות". בריטניה, צרפת וגרמניה הודיעו על היענותן לבקשה, תוך שבריטניה מתנה את תשובתה בהבנה שכל הצדדים הלוחמים ישמרו על התניה זו, וגרמניה מסבירה את הפצצת ורשה בהיות העיר עיר מבוצרת.
תחילת המלחמה.
במהלך השנה הראשונה למלחמה באירופה התפתחה ההפצצה האסטרטגית בדרך של ניסוי וטעייה. במהלך הפלישה לפולין תקף הלופטוואפה בעוצמה רבה מטרות צבאיות וגם אזרחיות החל מיומה הראשון של המלחמה. מטוסים גרמניים הפציצו ערים בפולין ומטרות תשתית אזרחית כמו בתי חולים ואף הפציץ שיירות של פליטים שנמלטו מאזורי הקרבות. הלופטוואפה הפעיל מערכה של הפצצה אסטרטגית על בריטניה כמהלך מקדים לפלישה המתוכננת, שלא יצאה אל הפועל. מטרת המערכה האווירית הגרמנית הייתה לאלץ את חיל האוויר המלכותי הבריטי (RAF) לפעול כנגד המטוסים הגרמניים, במטרה לשחוק את כוחו, או להשמיד את מטוסי על הקרקע. לאחר שהגרמנים נכשלו במערכה זו החלו הבריטים בהפצצת ערים גרמניות. הגרמנים מצידם פתחו בהפצצות על ערי בריטניה, שכונו הבליץ, ונועדו לשבור את רוחו של העם הבריטי ולאלץ את הממשלה הבריטית להתחיל בשיחות שלום על ידי הטלת טרור אווירי. המערכה הגרמנית החלה בהפצצות בשעות היום, אך בהמשך עברה להפצצות לילה בשל האבדות הכבדות שספגו הגרמנים ביום.
גם ה-RAF, שהעדיף הפצצות דיוק, עבר לתקיפות בלילה בשל האבדות הכבדות שספגו המפציצים בשעות היום. עד מאי 1940 הגבילו הבריטים את עצמם לתקיפות טקטיות ממזרח לריין ולתקיפות על מטרות ימיות. אחרי הפצצת רוטרדם, ב-14 במאי 1940, הונחה חיל האוויר המלכותי הבריטי לתקוף מטרות בחבל הרוהר, כולל מתקני זיקוק והפקת נפט ומטרות אזרחיות נוספות שסייעו למאמץ המלחמה הגרמני. התקיפה הראשונה של מפציצים בריטיים על מטרות בעמק הרור התבצעה בלילה שבין 15 ל-16 במאי, כאשר המערכה על צרפת ועל ארצות השפלה עדיין הייתה בעיצומה.
הפצצות מדויקות והפצצות שטח.
בספטמבר 1941 פרסם היועץ המדעי לקבינט של ממשלת בריטניה דו"ח שנכתב על ידי עוזרו, דייוויד בן סוסן-בט (David Bensusan-Butt). הדו"ח בחן את יעילות ההפצצות הבריטיות עד אז, ומצא שדיוקן היה נמוך מאד: מכל שלושה מפציצים שדיווח שהגיע למטרתו, רק אחד הגיע בפועל למרחק של 8 קילומטרים ממנה, נתון שהשתנה על פי המטרות שהופצצו: מעל נמלי הים בצרפת הצליחו שניים מכל שלושה להתקרב למטרה, אך מעל מטרות בחבל הרוהר רק אחד מחמישה עשר הצליח לעשות זאת. בעקבות הדו"ח אימץ חיל האוויר המלכותי מדיניות של הפצצת שטח, שנועדה לעכב ולסכל את הייצור התעשייתי המלחמתי הגרמני וגם לפגוע ביכולתה לנהל מלחמה על ידי ריתוק כוחות להגנה אווירית במקום שיופנו ללחימה בחזית, וכן כדי לפגוע במורל האזרחי. במקביל השקיעו הבריטים מאמץ בשיפור יכולות הניווט של צוותי האוויר, כדי שהפצצות תפגענה סמוך יותר למטרה, בממוצע. דיוק הפגיעה עלה, אך גם לאחר השיפור פגעו הפצצות במרחק ממוצע של 4.8 קילומטרים מהמטרה.
חילות האוויר של צבא ארצות הברית אימצו מדיניות של הפצצות דיוק, שנעשו לאור יום כדי לאפשר דיוק זה. מדיניות זו הייתה מבוססת על ההנחה (המוטעית) שהמפציצים יוכלו להגן על עצמם מפני מטוסי הקרב של האויב. תפיסה זו הביאה לאבדות כבדות עד להצטרפותם של מטוסי קרב ארוכי טווח, כמו הP-51 מוסטנג, שהייתה להם היכולת ללוות את המפציצים עד ליעד ובחזרה. הטקטיקה האמריקנית נשענה גם על השימוש בכוונת ההפצצה הסודית נורדן, אך התנאים בזירה האירופית היו שונים מאד מהתנאים במטווחי הירי בנבדה וקליפורניה, שם נוסתה הכוונת לראשונה. במטווחי הירי היו השמיים בהירים ונקיים, אך באירופה נתקלו צוותי המפציצים לעיתים קרובות בראות גרועה, במטרות שהיו מכוסות בעננות כבדה, במסכי עשן או בעשן משריפות שחוללו הפצצות קודמות. כתוצאה מכך הוטל מטען הפצצות באופן "עיוור", תוך שימוש בטכניקה של ניווט מקורב, שלא הייתה שונה בהרבה מהטכניקה שבה עשו שימוש המפציצים הבריטיים. מעבר לכך, למעשה רק המפציץ המוביל בכל מבנה מפציצים השתמש בכוונת "נורדן", ושאר מטוסי המבנה הטילו את הפצצות שלהם כאשר ראו שהמוביל עושה זאת. מבנה של מפציצים מכסה שטח נרחב, גם אם המטוסים טסים באופן מהודק (כלומר כשהם קרובים יחסית זה לזה), ולכן הפצצות התפזרו על שטח נרחב. העובדה שמבני המפציצים התפזרו בדרך כלל, בגלל אש נגד מטוסים שהייתה למדויקת יותר ככל שהתמשכה המלחמה וגם בגלל מטוסי קרב של האויב, הפכה את ההפצצה למדויקת הרבה פחות. למרות השאיפה להפצצת דיוק בפועל לא הצליחו המפציצים האמריקאיים להשיג דיוק גדול מזה של חבריהם לנשק הבריטיים, והפצצות פגעו בממצוע במרחק של 4.8 קילומטרים מן המטרה.
הפצצה אסטרטגית הייתה דרך להביא את המלחמה לתוך אירופה בשלב שבו כוחות הקרקע לא היו יכולים לעשות זאת, ושימשה גם להעלאת המורל אצל בעלות הברית בשלב שבו לא הייתה לוחמה קרקעית. חילות האוויר של בעלות הברית טענו ליכולת להפציץ "סביב השעון", אך בפועל רק מטרות בודדות הופצצו על ידי מפציצים בריטיים ואמריקניים באותו יום. דוגמה להפצצה כזו - שהייתה, כאמור, מקרה יוצא דופן - הייתה בידוד נורמנדי לקראת הנחיתה האמפיבית ב-6 ביוני 1944. כך גם הייתה הפצצת דרזדן, 13 - 15 בפברואר 1945, שהתבצעה בכמה גלים רצופים של מפציצים. למרות דוגמאות אלו, בדרך כלל לא היו תוכניות מתואמות להפצצה סביב השעון של מטרות כלשהן. עם התקדמות ההפצצות האסטרטגיות על גרמניה הלכה והתבררה הפגיעה בתשתית הגרמנית, אך המערכה האווירית החלה להראות הצלחה משמעותית רק עם תחילת התקיפות על תשתיות הפקת, זיקוק והובלת הדלק ועל מערכת התחבורה, בשנה האחרונה למלחמה.
זירת האוקיינוס השקט.
בזירת האוקיינוס השקט ובזירת סין ודרום מזרח אסיה השתמשו הכוחות האוויריים של האימפריה היפנית לעיתים קרובות בהפצצות אסטרטגיות. שירות האוויר של הצי הקיסרי היפני ושירות האוויר של הצבא היפני הקיסרי הפציצו את סינגפור, ראנגון בבורמה וערים בסין, ובהן שנגחאי, גואנגג'ואו, נאנג'ינג, וצ'ונגצ'ינג. עם זאת, התקדמות הצבא היפני הקיסרי הייתה מהירה בדרך כלל ולא היה צורך בהפצצות אסטרטגיות רבות. מעבר לכך, לתעשיית המטוסים היפנית לא הייתה היכולת לייצר מפציצים אסטרטגיים אמיתיים, כאמור. כאשר היה צורך בהפצצה אסטרטגית נעשה שימוש במפציצים קטנים יותר מהמטוסים המקבילים של בעלות הברית. מטוסים אלה נשאו מטען פצצות קטן יותר ולא היו יכולים להביא לאותו נזק שאותו חוללו המטוסים המקבילים של בעלות הברית באירופה באותה עת, ומאוחר יותר גם ביפן עצמה.
לעומת היפנים, ארצות הברית פיתחה את המפציץ הסדרתי הכבד ביותר ששירת במלחמת העולם השנייה, הבואינג B-29 סופרפורטרס. מעבר למטען הפצצות הכבד שיכול היה מפציץ זה לשאת, היה המטוס בעל טווח ארוך במיוחד, שאיפשר את הפצצת יפן. תחילה נערכו גיחות ההפצצה מסין, ובהמשך מבסיסים שהוקמו באיים שנכבשו מיפן, בעיקר באיי מריאנה - סאיפאן, גואם וטיניאן. המפציצים הטילו על הערים היפניות, ובראשן טוקיו, פצצות חומר נפץ מרסק ופצצות תבערה, שגרמו לנזקים כבדים מאד בבתים העשויים מעץ ונייר, והביאו ליצירת סופות אש שהחריבו שטחים נרחבים מאד. הפצצת טוקיו בלילה שבין 9 ל-10 במרץ 1945 גרמה למותם של 90,000 - 100,000 בני אדם, ההפצצה האווירית הכבדה בהיסטוריה. בניגוד להפצצות של בעלות הברית באירופה, שמטרתן המוצהרת הייתה הפצצת דיוק על יעדים אסטרטגיים (גם אם לא ניתן היה להשיג מטרה זו), הפצצת ערי יפן כוונה מלכתחילה לפגוע בבתי מגורים ובאוכלוסייה אזרחית. שיאה של מערכת ההפצצות האסטרטגיות נגד יפן הייתה הטלת פצצות האטום על הירושימה ועל נגסאקי ב-6 וב-9 באוגוסט 1945, בהן נספו בין 130,000 ל-226,000 בני אדם, והביאו לסיומה של המלחמה.
לאחר מלחמת העולם השנייה.
כניסת הנשק הגרעיני שינתה את ההפצצות האסטרטגיות: פצצה אחת יכולה להביא לנזק גדול בהרבה מזה שיכולים להשיג מאות מפציצים הנושאים מאות ואלפי פצצות רגילות. התפתחות שנייה ששינתה את פני ההפצצה האסטרטגית היה פיתוח הנשק המונחה: האפשרות לפגוע בדיוק גדל והולך במטרה איפשרה להימנע מהנזק המשני הרב שנגרם על ידי ההפצצות הנרחבות שהיו במלחמת העולם השנייה. חשיבותה של דעת הקהל, התחדשותם של כלי התקשורת והאפשרות להביא לידיעת הציבור תמונות וקולות בזמן אמת או סמוך מאד לכך יצרו מציאות שבה הפצצה אסטרטגית כבדה עלולה לגרום לנזק פוליטי חמור, שהביא לא פעם להפסקת מערכת הפצצות כזו.
מלחמת קוריאה.