東京大空襲
1945年1月27日、B-29は中島飛行機武蔵製作所を爆撃するため76機が出撃したが(エンキンドル3号作戦)、うち56機が第2次目標の東京市街地である有楽町・銀座地区を爆撃した。この空襲はのちに「銀座空襲」と呼ばれたが、被害は広範囲に及び有楽町駅は民間人の遺体で溢れるなど、死者539人、負傷者1,064人、全半壊家屋823戸、全半焼家屋418戸、罹災者4,400人と今までで最大の被害が生じた。日本軍も激烈に迎撃し、B-29撃墜22機を報じ、12機の戦闘機を失った。アメリカ軍の記録ではB-29の損失は9機であった。
1945年2月25日、当日に行われる予定のアメリカ海軍高速空母部隊の艦載機による爆撃と連携して、B-29は中島飛行機武蔵製作所を高高度精密爆撃する計画であったが、気象予報では日本の本州全域が雲に覆われており、目視での精密爆撃は無理と判断されたため、急遽、爆撃目標を武蔵製作所から東京の市街地へと改められた。進路も侵入高度もそのまま武蔵野製作所爆撃のものを踏襲したが、使用弾種の9割に焼夷弾が導入された。「エンキンドル3号作戦」と異なる点は、最初からB-29全機が東京の市街地を目標として焼夷弾攻撃を行うことであった。
連合国は、東京市に効果的に毒ガスを散布するための詳細な研究を行っており、散布する季節や気象条件を始めとして散布するガスの検討を行い、マスタードガス・ホスゲンなどが候補に挙がっていた。アメリカ陸軍参謀総長ジョージ・マーシャルは「我々が即座に使え、アメリカ人の生命の損失が間違いなく低減され、物理的に戦争終結を早めるもので、我々がこれまで使用していない唯一の兵器は毒ガスである」とも述べていた。アメリカ陸軍はマスタードガスとホスゲンを詰め込んださまざまなサイズの航空爆弾を86,000発準備する計画も進めていた。また、アメリカ軍は日本の農産物に対する有毒兵器の使用も計画していた。1942年にメリーランド州ベルツビル(英語版)にあるアメリカ合衆国農務省研究本部でアメリカ陸軍の要請により日本の特定の農産物を枯れ死にさせる生物兵器となる細菌の研究が開始された。しかし、日本の主要な農産物である米やサツマイモなどは細菌に対して極めて抵抗力が強いことが判明したので、細菌ではなく化学物質の散布を行うこととなり、実際に日本の耕作地帯にB-29で原油と廃油を散布したが効果はなかった。
東京帝国大学 - 懐徳館(旧前田邸)
旧制東京高等学校(現・東大教養学部および東大教育学部附属中等教育学校)
東京文理科大学
東京農業大学
東京高等工芸学校(現・千葉大学)
都立化学工業専門学校(現・東京都立大学)
早稲田大学 - 恩賜記念館・第一高等学院・大隈会館(旧大隈重信邸)
慶應義塾大学 - 図書館旧館・三田大講堂・旧福澤諭吉邸(1945年5月25日の空襲で焼失)
明治大学 - 駿河台体育館(4月13日の空襲による)・和泉予科講堂
法政大学 - 旧第一校舎
拓殖大学 - 恩賜記念講堂
日本医科大学
東洋大学
大倉経済専門学校(現・東京経済大学)
高千穂経済専門学校(現・高千穂大学)
青山学院工業専門学校
善隣協会専門学校
多摩帝国美術学校
大成學館尋常中学校
順天中学校
成城学園初等学校
女子学習院
帝国音楽学校
東京都立日比谷図書館
大原社会問題研究所(旧山内多門邸)
編隊で計器飛行ができないP-51に対しては、B-29が航法誘導する必要があり、ルメイは護衛戦闘機は足手まといぐらいに考えていた。B-29は搭載している防御火器で日本軍機に十分対抗できるため、狭い硫黄島の飛行場に多くの戦闘機を置くのは勿体なく、戦闘機を減らして、B-29を配置すべきとも考えていたが、P-51の護衛により、それまでB-29迎撃の主力であった陸軍「屠龍」海軍「月光」などの運動性能が低い双発戦闘機は使用できなくなり、単発戦闘機の迎撃も一段と困難になってしまった。さらに、P-51がB-29の護衛として多数飛来する頃には、大本営は敵本土上陸部隊への全機特攻戦法への航空機確保が優先し防空戦闘を局限する方針をとっている。具体的な運用としては、損害が増大する敵小型機(戦闘機)への迎撃は原則抑制したため、B-29への戦闘機による迎撃はB-29にP-51の護衛がなく有利な状況の時に限る方針となり日本軍機の迎撃は極めて低調で、日本軍戦闘機からのB-29の損害は激減している。それでも、アメリカ陸軍航空軍の統計によれば、B-29の太平洋戦争(大東亜戦争)における延べ出撃数に対する戦闘損失率は1.32%とされているが、東京に対する空襲においては損失率が跳ね上がり3.3%となっており、首都圏で日本軍は奮戦していた。一方で、同じ枢軸国ドイツの首都ベルリン空襲におけるアメリカ軍とイギリス軍爆撃機の損失率は6.6%と東京空襲の2倍の損失率で、B-29の高性能さと日本軍の防空戦闘能力の脆弱さを如実に表しており、もはや日本軍にB-29を押しとどめる力は残っていないことが明らかになった。