Dentro de las actividades bélicas durante la Segunda Guerra Mundial, Doolittle se destacó sobre todo por liderar el primer ataque estadounidense sobre suelo japonés, consistente en un bombardeo sobre Tokio por aviones B-25 embarcados en el portaaviones USS Hornet (CV-8) el 18 de abril de 1942, operación conocida desde entonces como Incursión Doolittle.