Serangan udara di Jepang
Serangan awal dari Kepulauan Mariana

Pasukan dari Korps marinir Amerika Serikat dan Angkatan Darat Amerika Serikat berhasil merebut pulau-pulau Jepang Guam, Saipan dan Tinian di Kepulauan Mariana antara bulan Juni hingga Agustus 1944. Para insinyur USAAF dan Angkatan Laut AS kemudian membangun enam lapangan udara di pulau-pulau tersebut untuk menampung ratusan pesawat B-29. Pangkalan udara ini diharapkan lebih mampu mendukung kampanye udara intensif melawan Jepang daripada pangkalan sebelumnya di Tiongkok karena kini AS bisa dengan mudah menyediakan pasokan lewat laut dan letaknya 1,500 mil (2,400 km) dari selatan Tokyo. Dari pangkalan yang strategis ini pesawat-pesawat pengebom B-29 dengan mudah menyerang daratan Jepang lalu kembali tanpa pengisian bahan bakar. Pesawat Jepang beberapa kali melancarkan serangan terhadap Saipan ketika pangkalan udara sedang ini dibangun.
Komando Pengebom XXI Angkatan Udara mulai tiba di Kepulauan Mariana selama Oktober 1944. Komando ini dipimpin oleh Brigadir Jenderal Haywood S. Hansell, yang selama ini berpartisipasi dalam operasi Kedelapan Angkatan Udara melawan Jerman. Pesawat pengebom B-29 yang dikendalikan oleh Komando Pengebom XXI terbang enam misi latihan terhadap sasaran-sasaran di Pasifik Tengah selama bulan Oktober dan November dalam persiapan untuk serangan pertama mereka di Jepang. Pada tanggal 1 November satu unit pesawat F-13 (varian B-29) dari skuadron 3 melakukan misi terbang pengintaian di atas Tokyo. Pesawat tersebut adalah pesawat pertama Anerika Serikat yang melakukan penerbangan di atas kota Tokyo semenjak Serangan Doolittle. Selanjutnya beberapa sorti F-13 diterbangkan di atas kota itu untuk misi mengumpulkan data intelijen pada pabrik pesawat terbang dan fasilitas pelabuhan di daerah Tokyo-Yokosuka.
Komando Pengebom XXI pada serangan awal terhadap Jepang memusatkan perhatiannya pada industri pesawat terbang di negara itu. Serangan pertama digelar dengan nama sandi Operasi San Antonio, dilancarkan terhadap instalasi pesawat Musashino di pinggiran Tokyo pada tanggal 24 November 1944. Hanya 24 dari 111 unit B-29 yang dikirim bertugas menyerang target utama, sedangkan yang lainnya menjatuhkan bom terhadap fasilitas pelabuhan serta industri dan daerah perkotaan. Misi Amerika ini dicegat oleh 125 pesawat tempur Jepang tetapi pencegat hanya berhasil menembak jatuh satu B-29. Serangan ini menyebabkan beberapa kerusakan pada instalasi pesawat dan menurunkan kepercayaan warga sipil Jepang atas pertahanan udara negara mereka. Sebagai balasan, Angkatan Udara dan Laut Jepang meningkatkan serangan udara mereka terhadap pangkalan B-29 di Kepulauan Mariana sejak 27 November 1944 serangan ini terus dilanjutkan hingga bulan Januari 1945 dan berhasil menghancurkan 11 Superfortress dan merusak 43 lainnya, sementara Jepang kehilangan sekitar 37 pesawat mereka. Angkatan Darat Kekaisaran Jepang juga meluncurkan balon api untuk menyerang Amerika Serikat pada bulan November. Tetapi kampanye tersebut hanya menyebabkan kerusakan kecil dan akhirnya tidak dihentikan pada bulan Maret 1945. Dari jumlah 9.000 balon yang telah dikirim hanya 285 balon saja dilaporkan berhasil mencapai perbatasan Amerika Serikat.
Serangan Amerika berikutnya di Jepang dilaporkan tidak berhasil. Komando Pengebom XXI menyerang Tokyo tiga kali antara tangal 27 November hingga 3 Desember dua penyerangan tersebut dilakukan terhadap instalasi pesawat Musashino sementara satu kali yang lain menargetkan kawasan industri dengan mengerahkan bom tandan pembakar M-69 yang khusus dikembangkan untuk merusak daerah perkotaan Jepang. Pabrik Pesawat yang diserang pada tanggal 27 November dan 3 Desember hanya mengalami rusak ringan dikarenakan adanya angin kencang dan awan sehingga mencegah pengeboman bisa dilakukan secara tepat. Serangan bom pembakar dilakukan pada malam 29/30 November dengan mengerahkan 29 unit Superfortress, tetapi hanya berhasil membakar sepersepuluh mil persegi. Sehingga ketiga serangan tersebut juga dinilai tidak berhasil.
Empat dari lima penyerangan Komando Pengebom XXI berikutnya dilakukan terhadap sasaran di Nagoya. Dua serangan pertama dilancarkan pada 13 dan 18 Desember menggunakan taktik ketepatan pengeboman, serangan ini berhasil menghancurkan instalasi industri pesawat di kota sasaran.
Serangan ketiga adalah sebuah serangan pembakar yang dilancarkan pada siang hari yang dilakukan setelah pihak Angkatan Udara mengerahkan 100 unit B-29 yang bersenjatakan bom M-69 dengan sasaran kota Nagoya. Serangan ini dilakukan untuk menguji efektivitas senjata M-69 pada sebuah kota di Jepang. Hansel menentang perintah tersebut karena ia lebih yakin bahwa serangan dengan taktik ketepatan pengeboman lebih memberikan hasil yang menggembirakan, sementara melakukan taktik pembakaran pada siang hari merupakan sebuah taktik yang kontraproduktif. Namun secara garis besar operasi ia menyetujui operasi setelah ia mengetahui bahwa tidak terjadi pergeseran secara umum dalam taktik yang dilaksanakan. Kendati terjadi perubahan pada penggunaan persenjataan, pada tanggal 22 Desember diluncurkan sebuah serangan yang awalnya direncanakan sebagai serangan presisi pada fasilitas pabrik pesawat milik Jepang. Serangan melibatkan 78 pengebom tersebut hanya mengakibatkan kerusakan kecil akibat kondisi cuaca buruk. Beberapa hari berikutnya pada tanggal 27 Desember Komando Pengebom XXI melakukan serangan yang tak begitu merusak terhadap fasilitas pabrik pesawat Musashino di Tokyo. Pada tanggal 3 Januari 1945, 97 unit pengebom B-29 dikirim untuk melakukan serangan bom di daerah Nagoya. Serangan ini memicu terjadinya kebakaran dibeberapa wilayah perkotaan, tetapi kebakaran itu dengan cepat bisa dikendalikan.
Jenderal Henry H. Arnold merasa kecewa dengan hasil yang tidak menggembirakan yang dicapai Komando Pengebom XXI. Ia berharap Komando agar bisa memperoleh hasil berupa kemajuan yang segera. Selain itu, Arnold juga menganggap rencana Hansell untuk strategi pengeboman presisi sudah tidak sesuai lagi dengan pandangan dari markas Angkatan Udara keduapuluh yang ingin lebih menekankan pada serangan daerah. Akhirnya pada penghujung Desember 1944 Arnold memutuskan untuk membebaskan Hansell dari komandonya. Melihat keberhasilan LeMay dalam meningkatkan kinerja Komando Pengebom XX, Arnold berpikir bahwa LeMay bisa memecahkan persoalan di Komando Pengebom XXI. Maka akhirnya posisi Arnold diganti dengan Hansell yang mendapatkan keputusan Arnold pada tanggal 6 Januari, tetapi tetap dalam posisinya di Komando Pengebom XX sampai pertengahan Januari. Selama periode ini, Komando Pengebom XXI berhasil melakukan serangan bom presisi pada fasilitas pabrik pesawat Musashino di Tokyo dan pabrik Pesawat Mitsubishi di Nagoya masing-masing pada 9 dan 14 Januari. Sebuah serangan lain terhadap pabrik pesawat Kawasaki dekat Akashi pada 19 Januari bisa dikatakan lebih berhasil sesuai rencana Hansell meskipun demikian Komado Pengebom XXI terpaksa merelakan kehilangan sebanyak 77 unit pengebom B-29. Selama iga bulan pertama operasi Komado Pengebom XXI, komando itu telah kehilangan rata-rata 4,1% dari pesawat yang dikirim pada setiap serangan.
Markas Besar Kekaisaran Jepang terlambat mengadopsi program pertahanan sipil. Baru pada akhir Januari 1945 rencana pertahanan sipil untuk melawan serangan udara Amerika dilaksanakan. Dalam program ini tanggung jawab untuk mengatasi kebakaran akibat serangan udara ditugaskan pada dewan masyarakat yang memberikan bantuan bagi unit pemadam kebakaran profesional. Warga sipil diarahkan mengamati pemadaman kebakaran mulai dari pukul 10:00. Sementara posisi Jepang di Kepulauan Bonin yang biasanya mampu memberikan peringatan satu jam dari serangan Amerika dan sirene serangan udara dibunyikan di kota juga mulai terancam oleh serangan.
Serangan pertama yang dilancarkan di bawah kepemimpinan LeMay mencapai hasil yang beragam. Komando Pengebom XXI menerbangkan enam misi utama antara 23 Januari dan 19 Februari dengan sedikit keberhasilan, meskipun sebuah serangan pembakar terhadap Kobe pada 4 Februari mengakibatkan kerusakan yang signifikan pada kota tersebut dan pabrik-pabrik utamanya. Selain itu, sementara prosedur perawatan perbaikan yang diterapkan oleh LeMay mengurangi jumlah pesawat B-29 yang harus kembali ke pangkalan selama penyerangan karena masalah teknis, Komando tersebut mengalami tingkat kerugian sebesar 5,1% dalam operasi ini. Dari 19 Februari hingga 3 Maret, Komando Pengebom XXI melancarkan serangkaian serangan pengeboman presisi terhadap pabrik pesawat yang berusaha memaksa tinggal satuan udara Jepang sehingga mereka tidak dapat ikut serta dalam Pertempuran Iwo Jima. Namun, serangan ini dibuat frustrasi oleh angin kencang dan tutupan awan dan sedikit kerusakan yang terjadi. Sebuah serangan bom api yang dilancarkn terhadap Tokyo oleh 172 pesawat B-29 pada 25 Februari dianggap berhasil karena membakar atau merusak sekitar satu mil persegi wilayah urban kota. Serangan ini merupakan tes efektivitas pengeboman berskala besar.