熊谷空襲
8月13日、アメリカ軍第20航空軍司令部は、第58、第73、第313、第314、第315爆撃航空団に対し山口県光市にある光海軍工廠、同岩国市にある麻里布操車場、大阪府にある大阪砲兵工廠、秋田県秋田市にある日本石油製油所、群馬県伊勢崎市と埼玉県熊谷市の2都市に、動員可能な最大限の航空兵力による攻撃命令を下した。本作戦と並行して連合国と日本との間で終戦交渉が進められていたが、第20航空軍司令官は「交渉は日本側によって遅延させられている」と見なし、期限間近に迫るまでに最大限の航空兵力を発進させる準備を進め、諸作戦を8月14日から8月15日にかけて実施するように命じた。
4施設と2都市が第1攻撃目標として選定された理由については、4施設に関しては重要な正照準攻撃目標のうちこれまで作戦が成功していなかった点、2都市に関しては攻撃目標として設定された180の小都市のうちこれまで作戦が成功していなかった点が挙げられ、光海軍工廠と麻里布操車場と大阪陸軍工廠に対しては昼間の攻撃計画が、日本石油製油所と伊勢崎市と熊谷市に対しては夜間の攻撃計画が立案された。
大日本帝国
東部軍管区司令部、横須賀鎮守府司令部は、「南方基地のB-29約250機は8月14日23時40分頃より約5時間にかけて本土来襲、第1波約150機は鹿島灘の北部を経て東北軍管区に侵入、第2波約100機は鹿島灘および銚子付近より関東地方に侵入。各地に分散攻撃を加え焼夷弾を投下せり、高崎、熊谷、小田原の各都市付近および2、3の村落に小火災発生せるも間もなく鎮火、若干の被害を生じたり」と発表した。
アメリカ合衆国
8月15日付けの『ニューヨーク・タイムズ』紙は、熊谷市を含めた空襲を「最後の偉大な一撃」「最後の攻撃は、日本政府がポツダム宣言受託を決定したことを、日本側のプロパガンダ放送『日の丸アワー』が報じた後だったが、政府による公式文書が中立国を介して連合国側に通告される前に行われた」と報じた。また、同紙は熊谷市について「三つの普通規模以上の工場と数百の小規模の隠れ工場を持つ都市」と記している。
熊谷市が空襲を受けた8月14日深夜には近郊の都市や村落でも空襲による被害を受けた。北埼玉郡忍町では40戸が焼失し3人が死亡、同下忍村では5戸が焼失、同埼玉村では翌朝に不発弾に接触し5人が死亡、大里郡中瀬村では13戸が被災し2人が死亡、同御正村では28戸が焼失し御正国民学校が被害を受けた。比企郡松山町ではヂーゼル機器松山工場に焼夷弾が投下されたが、『ヂーゼル機器40年史』は消火活動により被害には至らなかったとしている。
8月15日2時頃には児玉郡本庄町と同旭村でも空襲があり、本庄町では富士瓦斯紡績本庄工場、本庄国民学校、高層気象台本庄出張所が被害を受け1人が死亡、旭村では4戸が焼失した。本庄地域は熊谷と共に攻撃目標とされ29人が死亡した群馬県伊勢崎市(伊勢崎空襲)と距離的に近いが、『本庄市史』は両者の投弾点の規則性の違いから、熊谷での空襲を終えたB-29が基地への帰還の際に投下したものと推測している。
また、熊谷と伊勢崎に対する攻撃部隊は作戦終了後に左旋回し、静岡県賀茂郡下田町付近のポイントを経由して帰投するように定められていたが、帰投路付近の東京都西多摩郡古里村では民家が焼失するなど22人が被災、神奈川県小田原市では402戸が焼失し12人が死亡(小田原空襲)するなどの被害を受けた。前者は伊勢崎と下田とを結ぶ直線上、後者は熊谷と下田とを結ぶ直線上に近いが米軍側の報告書に記録はなく、日本側では余剰爆弾の投棄と見なされている。
市の東部に位置し焼失を免れた成田国民学校は臨時の救護所となり、熊谷寺は大広間を開放し被災者の一部を受け入れた。
第313航空団は1時35分(米軍時間16時35分)、第314航空団先導隊は0時58分(米軍時間15時58分)、同本隊は1時39分(米軍時間16時39分)に爆撃を終え、第313航空団は7時40分(米軍時間22時40分)、第314航空団は8時14分(米軍時間23時14分)までに基地に帰還した。作戦参加89機のうち、8機は整備不良や搭乗員のミスなどの理由により爆撃に参加せず、5機はマリアナ諸島の基地に帰還できず硫黄島の中継基地に着陸した。
『第20航空軍爆撃報告書』によると熊谷市の市街地を攻撃目標とした爆撃は、8月15日0時23分から1時39分までの76分間にわたって行われ、高度14,200から19,000フィートの地点から4,000ポンド爆弾6発、M17焼夷弾356発、M19焼夷弾1,372発、M47焼夷弾6,321発を投下した。熊谷市に投下された爆弾の投下量は1平方マイルにつき96,833トンに上ったが、日本の都市攻撃に有効であるとする1平方マイルにつき25,000トンの爆撃必要密度の約3.87倍にあたる。この数字は同年8月2日に行われた八王子空襲における1平方マイルあたりの投下量113,857トンに次いで国内で2番目に高い数字となっている。