ドーリットル空襲
東條英機総理大臣は、この日の午前中に宇都宮市内を視察した後に次の目的地である水戸に大臣専用機(一〇〇式輸送機ないし三菱MC-20旅客機、首相専用機か陸相専用機かは不明)で向かった。正午、専用機は水戸上空でドーリットル機と約20キロメートルの距離ですれ違った。東條は同乗した秘書官に「あれはアメリカ(の飛行機)だぞ」と叫んだ。秘書官によれば双方の顔が見える距離まで接近していたという。アメリカ側も専用機を銃撃せずそのまま西へ向かった。専用機が飛行場に着陸してすぐ、東條は東京が空襲されたことを初めて知った。東條首相は「すぐ飛行機で(東京に)帰る」と言い出したが、周囲が「東京の警戒を混乱させる」という理由で、水戸発午後3時の列車で帰京させた。この列車は午後5時45分上野駅に着いた。東條は途中、天機奉伺の記帳のため皇居に寄り、首相官邸に各閣僚からの情報をまとめた後、午後8時に皇居に参内し、天皇に空襲に関する報告をした。
なお、海軍の山本長官は軽い腹痛のため勤務を休んでいた。 軍令部第一部長福留繁中将は、長谷川清台湾総督の招待を受けて帝国ホテルで昼食中であった。
荒蒔機は装備の弾薬筒を代用弾(演習弾)から実弾に変更するため離陸が遅れ、会敵出来なかったものの、梅川機は代用弾のまま先行離陸、B-25の11番機を捕捉し、白煙をふかせた。しかし11番機は撃墜には至らず離脱したため、これによって撃破されたB-25は4番機(ホームストロム少尉)ともされている。なお11番機は日本軍戦闘機2機の撃墜を報告したが、キ61は無事帰還した。また川崎を爆撃した9番機(ハロルド・F・ワトソン中尉)は、機関銃を4丁装備した引き込み脚の戦闘機から攻撃を受けたと報告している。
さらに正午に翌日ラバウル航空隊へ送るために試験飛行をしていた海軍の十三試双発陸上戦闘機が横浜上空に高角砲の弾幕と山肌スレスレを飛行する双尾翼の双発機を目撃し、操縦していた小野飛曹長は九六式陸上攻撃機かと思ったものの、当日早朝に敵空母機動部隊発見の報告から警戒警報が出されていたことから米軍機かもしれないと考え、実弾を積んでいなかったため攻撃は行わず、急いで木更津基地へ滑り込んだ。
横須賀航空隊からは、宮崎勇飛行兵曹ら3機の零戦が発進し、哨戒飛行にあたっていた。零戦を順次上空哨戒に発進させていたところ、B-25の空襲がはじまった。
11番機は本土侵入後に水戸陸軍飛行学校の航空隊機に迎撃された(後述)。そのため横浜に侵入することができず、回避行動中に発見した建設中の香取海軍飛行場を爆撃し、九十九里浜を抜けて離脱した。
13番機は、房総半島の南部を横断して横須賀に向かった。13:00頃、記念艦「三笠」の上空から爆撃を開始し、3発目の爆弾が、横須賀軍港第4ドックで潜水母艦から空母へと改装中だった大鯨(龍鳳)に命中する。大鯨では火災が発生した。13番機は日本海軍の中枢(横須賀鎮守府)を爆撃することに成功し、対空砲火の中を離脱した。
16番機は、ホーネット発艦時にプロペラ接触事故で乗組員1名が左腕を切断した。当初は大阪を目標としていたが実際に爆撃したのは名古屋で、投下後は和歌山に向かい、後に中国奥地で5名全員が捕虜となった。この16番機は日本領土内の各地で民間人に対する機銃掃射を行い、これが後の死刑判決に繋がった。
空襲を終えた16機のB-25のうち、北のウラジオストクへ向かった8番機を除く15機のB-25は日本本土南岸の洋上を飛んで中国大陸へ向かった。この時、B-25は遭遇した船舶に対して、それが民間船であろうと機銃弾のある限り攻撃を行った。15:00、室戸岬沖で漁船「高島丸」が攻撃を受け重傷1名。16:00、足摺岬沖で漁船「第二三木丸」が2機に銃撃され、2名が死傷した。17:15、鹿児島県の口永良部島近海で漁船「昌栄丸」が機銃掃射を受け、重傷1名が出た。
この攻撃の報に、本土防空を受け持っていた陸軍はもとより、海軍の連合艦隊司令長官山本五十六大将は衝撃を受けた。山本長官は寺島健中将(予備役、兵31)にあてた書簡の中で「今考へれば矢張(やはり)布哇(ハワイ)の一撃はやっといてよかったとの感あると共に 結局布哇をとって仕舞はなければ 北廻りも用意となりうべきものと思はれ候」と述べている。 「ドーリットル空襲」が純軍事作戦というよりむしろ戦意高揚を狙った宣伝的作戦であることを見抜きつつ、次回の空襲は本格的な大規模攻撃になると想定し、各部署に警告を発した部隊もある。「本土空襲を受けて山本長官は日本本土の安全確保のため、敵空母殲滅を視野に入れたミッドウェー島攻略作戦を立案した」とされる説も見受けられる が、ミッドウェー作戦自体はドーリットル空襲以前から検討されていた(前述)。4月16日付の大本営海軍部指示(大海指第八十五号)にて、正式に裁可されている。
しかし、ドーリットル空襲以前から日本海軍(とくに連合艦隊)はアメリカ海軍空母機動部隊の跳梁に悩まされていた。 本空襲前に立案されたミッドウェー作戦は、「日本軍のミッドウェー島の占領により、反撃に出てくる米艦隊・機動部隊を撃滅する」「ミッドウェー島の前線基地化により日本本土方面への米潜水艦活動を封殺し、飛行哨戒兵力の進出により、米空母の機動作戦を封じる」「10月予定のハワイ攻略作戦までの"つなぎ"」という、複数の目的をもっていた。
零戦隊は『双発機2機が試験飛行で飛ぶので注意せよ』との通達を受けており、対空砲火の中を飛ぶB-25を通達のあった味方機と誤認した。零戦隊が敵機だと知らされたのは着陸してからだった。
東海地区では、B-25到達までに時間があったことから、空襲前に迎撃機が発進した。鈴鹿海軍航空隊から九六式艦上戦闘機9機、九六式艦上攻撃機、九七式艦上攻撃機6機が出撃したが、空振りに終わった。「陸上爆撃機は高高度襲来」の思い込みから高高度で待機し、少数機が低空で飛行するB-25を見落とした結果だった。逆に洋上哨戒に出た九七式艦上攻撃機1機が不時着し、乗員は救助された。陸軍からは明野陸軍飛行学校が臨時防空戦闘機隊を編成し、一式戦闘機「隼」3機、九七式戦闘機15機に教官が搭乗して離陸した。この部隊もB-25と遭遇できずに帰還した。阪神地区では、陸軍の飛行第13戦隊が空襲にまったく対応できず、出撃記録も不明である。ただし、B-25の15番機が神戸上空で九七式戦闘機2機を目撃している。海軍は阪神地区の防空を担当しておらず、動きはなかった。岩国航空隊が所属機を横須賀に派遣したのみである。
洋上では、佐伯海軍航空隊所属の九九式艦上爆撃機2機が15:47に高知県足摺岬沖でB-25を発見した。井上文刀大尉は追跡を命じたが、速度の遅い艦上爆撃機ではいかんともしがたく、振り切られた。