得知美机轰炸东京后，九州岛各地的机场上，所有能起飞战斗机全部起飞。从最先进到的飞燕、迅雷到已经退居二线的零式，甚至连中岛公司，两名正在广岛测试新式飞机的飞行员，也在八点半得到情报后，驾驶着正在测试中疾风战斗机升空索敌，并成功地击落了一架B25.这也是这款因为发动机难产问题而迟迟不能服役的战斗机在实战中取得的第一个战果。
以杜立特为首的B25轰炸机联队，从进入大阪上空后，就不断地遭遇各地赶来日本战斗机的攻击。空战从大阪一直打到广岛，甚至在进入海洋上空都不曾停息。
为了满足远距离轰炸的要求，这批B25的自卫火力被削减至最弱，结果在赶来的日本飞机面前，自卫火力薄弱的B25机群就成为最好的美餐。
总计超过一百架的日本战斗机追上了杜立特轰炸机群，一路猛追猛打，整个空战的过程惨烈到了极点。
二十日早上进东京上空进行轰炸的B25共有二十六架，但在日本上空和海上被击落的，数量达到了惊人的二十二架之多。
只有四架B25逃过了日机的追杀。
由于在日本上空受到大批日本战斗机的围追堵截，匆惶逃窜的美国轰炸机群已经顾不上按原定计划撤离，完全是往哪里飞安全就往哪里飞，到后来更是四散而逃。
其中一架B25是在日机的追杀下被迫改变航向苏联境内飞行，最后迫降在苏联境内的机场上，飞机飞行员被苏联人扣押。B25机组成员共有5人，但降落时该机上仅有两名飞行员身体状况“良好”，余下的三人则是两死一重伤。
勉强逃入中国境内的三架B25也命运坎坷，其中一架在靠近中国山东海岸线时机体不支，被迫在海上迫降，五名飞行员中只有一人获救。
另外两架B25，一架勉强地进入中国领空时，身后还有两架飞燕紧追不舍，当时飞燕战斗机上安装的12.7毫米机枪已打得该机残破不堪，甚至左边的发动机也中弹起火，机上五名成员两死两伤，只有副驾驶员安然无恙。
幸运的是，此时来自中国方向接应的HE151战斗机赶到，驱逐了日机。
飞燕战斗机本就是德国出口和授权日本生产的HE151，却在中国渤海上海遭遇了他的“兄弟”。和日本一样，中国也引进了HE151战斗机的生产线，并被命名为歼5.
在四架中国战斗机的威胁性警告下，加上那架B25已经冒火，数量上处于劣势的日本战斗机最后悻悻地撤退。而后这架身受重创的B25在歼5战斗机的引导下，勉强飞到大连机场迫降成功，残余的三名飞行员中又有一人事后死于中方的医院。
最后一架B25是当时惨烈轰炸行动的幸运儿，在日本上空时，他在日机的追杀下避入一片雨云中，追过了战斗机的追杀，虽然途中遭遇雷击，却本身却安然无恙。最后该机成功地在中国山东青岛机场首陆。
该机组遭遇受最大的伤害是，其正机师在爬下飞机舷梯时，不慎双脚发软摔下，折却门牙两个，可谓损失惨重。除此之外，机上其余四名成员毫发无伤，算是当日这次惨烈轰炸行动中最幸运的一个机组。
此次空袭东京，美国陆航出动了二十六架B25共计一百三十名飞机员和机组成员，但最后仅有十人逃脱，损失率超过百分九十，堪称是惨烈无比的一次轰炸行动。而在日本上空被击落的B25飞机上跳伞被俘的美国飞行员共有三十五人，其中十五人事后被日本方面以屠杀平民罪枪决。
历史上因为轰炸东京而一炸成名的杜立特，他所驾驶的轰炸机在大阪上空被击落，而本人也在飞机中被击毙。
太平战争结束几十年后，为了纪念这次惨烈的空袭行动，美国人后来拍了一部有名的空战电影，名字就叫《死亡轰炸》。
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