1941年9月，日本海军联合舰队司令山本五十六提出了代号为“Z”的作战计划，准备使用海军舰载飞机，突袭美国夏威夷珍珠港海军基地，摧毁美国的太平洋舰队，消除对日本的威胁，保障日军顺利攻占菲律宾、马来亚、荷属东印度等地。
日本海军联合作战舰队由6艘航空母舰“赤城”号、“加贺”号、“苍龙”号、“飞龙”号、“翔鹤”号、“瑞鹤”号及2艘战列舰、2艘重巡洋舰、1艘轻巡洋舰、9艘驱逐舰、3艘大型潜艇、8艘油船组成，共31艘舰艇，舰载机432架。南云率领6艘航空母舰组成突击队，三川率领2艘战列舰、2艘重巡洋舰组成支援队。从9月开始，日本海军航空兵部队在与作战地区地形近似的鹿儿岛进行了紧张的轰炸和低空投放鱼雷训练，井针对珍珠港水深仅12米的情况，研制了专门的浅水鱼雷。
11月5日，山本向舰队宣布日本将于12月上旬向英、美、荷开战。11月22日，突击舰队集结于千岛群岛择捉岛的单冠湾。11月25日，山本下令突击队沿偏僻的北航线向夏威夷进发。经过12天，航行6667千米，中途4次加油，采取严格的无线电静默，12月7日晨4时30分，顺利到达珍珠港以北370千米的预定海域。5时30分，舰队派出2架水上飞机进行战前侦察。6时整，舰队航空兵指挥官渊田美智雄中校率第一波183架飞机由母舰起飞，向珍珠港所在地瓦胡岛飞去。机群包括水平轰炸机49架、鱼雷轰炸机40架、俯冲轰炸机51架、““零”式战斗机43架。岛上的美军雷达站发现北方有大编队飞机临近，立即向警报中心报告。值班军官泰勒少尉误认为是由加利福尼亚州转场来的B- 17机群，答复说不必担心。7时49分，第一波开始攻击。俯冲轰炸机由4000米俯冲至1500米攻击机场和航空站;鱼雷轰炸机分两批在15 ~ 30米高度低空攻击军舰;随后水平轰炸机由4000米高空单机跟进，再次突击军舰，战斗机也投入攻击地面目标。攻击至8时40分结束。在日机强大的攻势中，瓦胡岛的福特机场、希卡姆机场、惠勒机场的一架架重型轰炸机和歼击机几乎全部被炸毁。第二波170 架飞机由岛崎中校率领，水平轰炸机54架、俯冲轰炸机80架、“零”式战斗机36架，7时15分起飞，8时54分开始攻击。鱼雷机和高空轰炸机对“加利福尼亚”号，“亚利桑那”号、“田纳西”号等战舰进行袭击。“亚利桑那”号被5颗炸弹命中，其中一颗炸弹穿过前甲板钻进了燃料储藏舱，引起大火。后舱储存的1600磅黑色炸药发生爆炸，并且引发了前舱的几百吨无烟火药。“ 亚利桑那”号犹如火山爆发，几乎蹦离水面，裂成两半。只过了9分钟，这艘3.26万吨的巨型军舰就葬身海底，舰上1500多名官兵无一生还。“内华达”号左舷中了一枚鱼雷， 后甲板上中了一颗炸弹，船首马上下沉。舰上的官兵纷纷弃舰跳海逃生，大多数惨死在火海中。9时45分攻击结束。
第一波10时左右，第二波12时左右，日战机先后返回母舰。参加突击的共353架飞机，另有35架在舰队上空掩护，40架作为预备队。空袭前后历时1小时50分，共投鱼雷50枚、炸弹556颗。美军在港8艘战列舰4沉4伤，4艘巡洋舰1沉3伤，3艘驱逐舰2沉1伤，辅助舰被毁8艘。驻岛飞机370架中被毁188架、伤63架，占70%。人员死亡2403人、伤1178人。 日机共损失29架，亡25人; 2架水平轰炸机迷航坠海。日军还被击沉大型潜艇1艘、小型潜艇4艘，另1艘小型潜艇触礁被俘。
由于对日军偷袭毫无戒备，美军机场和港口只有少数人员作例行的战斗值班，高射炮阵地的弹药都锁进了中心弹药仓库。珍珠港内各舰上780挺高射机枪有3/4无人值班，陆军的31门高射炮只有4门在阵地上。空袭开始时，美军舰船不能开动，飞机不能起飞，通信指挥中断，一片混乱。岛上高射炮在空袭开始5分钟后才匆忙射击，20分钟后才有30余架美机升空迎战，但因仓促上阵，不是被击毁，就是被自己的高射炮击落，几乎全部殉难。美军3艘航空母舰在外海未归而没有损失。9时45分，渊田在飞机上绕珍珠港一圈，拍下已经斜沉的战列舰和3艘已负重伤的巡洋舰惨况，同时摄下全部被炸毁的美军飞机和机场。然后，向山本五十六发出电报:“我奇袭成功”。前后不过2小时，日本海军便夺得西太平洋的主动权，使美太平洋舰队近半年不能作战。日本机群返回母舰后，渊田等建议再次出击，彻底摧毁瓦胡岛上残留目标。但南云认为:攻击已达预期目的，再次攻击必将增大损失。下午1时30分下令舰队沿原航线返航，12月24日返回日本。