晉察冀反掃蕩作戰進行的如火如荼，李振華在蒙山等得心急火燎，終于10月10日雙十節那天，李振華等到了延安總部命令，杜立特轟炸機群將于3天後轟炸日本本土，總部讓山東軍區做好一切準備。從電報中李振華得知此次參與轟炸的b24有87架，他對這個規模很滿意。
在西安機場的杜立特不是很滿意，他寄以厚望的凝固汽油彈數量不足，只有50余噸，軍方采購部門要求杜立特轟炸機群機組人員轟炸後拍照，以便後方評估凝固汽油彈的破壞威力，這影響到軍方以後采購的規模。但事已至此，杜立特已無辦法改變，他將裝載凝固汽油彈的轟炸機編組在一起，集中轟炸一個目標，以利于觀察凝固汽油彈的爆炸威力。
此次機群轟炸的目標有5個︰東京及京濱工業區，大阪及阪神工業區，名古屋工業區，廣島、長崎。轟炸針對的都是工業目標，著重打擊日本本土工業制造能力。這次有幸分配到凝固汽油彈的城市是大板及板神工業區。
轟炸機群趁著月色按計劃于13日凌晨3點分批次抵達沂蒙機場，戰士們熟練地分批次為轟炸機加油，加油使用的十套設備，還是轟炸機趁轟炸之余，偷運到沂蒙機場的，有了這些設備，轟炸機很快加好了油，一架一架轟炸機依次起飛，向日本本土飛去。等轟炸機機全部飛走了，戰士們顧不上勞累，還要趕緊對機場進行偽裝。
天亮後，轟炸機群出現在日本以東太平洋上空，重新集中編組後，同時撲向目標各地。日本各地響起淒厲的防空警報聲，時隔9個月，日本本土再次遭到轟炸。剛剛上班的人們，緊急跑出工廠、大樓、房屋，向防空洞奔去。轟炸機飛臨日本各目標上空，一顆顆航彈像下蛋一樣扔下來，總計130多噸的炸藥傾泄到了日本各工業區，爆炸聲四起，火光沖天。
日本各地的防空武器開火了，高射炮彈在轟炸機的周邊爆炸，形成一朵朵黑霧。轟炸機緊急避讓，轟炸完後加速向西往日本海方向飛去。轟炸機來得太快，走的也快，很快就脫離日本本土上空，進入日本海空域。日軍零式、一式、二式戰機緊急升空，攔截機槍對b24轟炸機威脅不大，被寄以厚望的空高截擊機二式戰機同樣如此。日軍戰機為追求航速、航程、機動性，機體結構較輕、強度較差，不能安裝大口徑武器，大口徑武器的後坐力都能把飛機震散。反而是b24轟炸機自衛火力對這三款戰機形成致命威脅。打急眼的日軍飛機向b24轟炸機發動自殺式撞擊，有二架b24被撞墜毀，掉進了日本海，有兩個僥幸跳傘的機組人員在空中被打急眼的日軍射殺。
日本本土5處主要工業區遭到重創，特別是大阪及阪神工業區，這里主要集中的是機械制造、金屬工業、紡織工業。到處陷入了一片火海，根本無法撲滅，凝固汽油彈產生的高溫，生生把爆炸中心的一條小河里水加熱到沸騰。廠房倒塌、機器設備都被熔化，來不及跑出工廠的工人就更不用說了，死狀相當淒慘。阪神工業區沒有三、四個月的時間根本得不到恢復。
轟炸機群向西穿過朝鮮上空進入黃海，日軍駐朝鮮、偽滿的航空隊升空攔截，但沒有起到有效攔截作用。機群一路向西直奔西安，西安機場中美聯合航空隊升空警戒，為機群護航，大多數b24轟炸機安全降落了下來。有三架被高射炮擊傷的轟炸機迫降時爆炸，還有三架受傷轟炸機機組人員跳傘，放棄了迫降，飛機墜毀。
整個轟炸過程可以說相當順利，損失也不大。轟炸大阪的機組人員對轟炸的整個過程及效果進了錄像和拍照，證明了凝固汽油彈的威力。為後續美軍大規模使用凝固汽油彈轟炸日本本土埋下伏筆。
日本天皇震怒，嚴厲斥責了日本陸海軍大本營高層。日本本土再次遭到空襲，暴露日本一系列問題，首先是暴露了日本軍事戰略的失敗，戰前過份高估自身實力、低估了美國的決心和恐怖的工業能力。賭國運、倉促與美軍開戰，迎來了惡果。同時暴露日本本土防空力量薄弱，現有戰機完全無法應對美軍轟炸機，日軍燃油資源也嚴重不足。雖然東南亞有油，但運輸力量不足，無法轉運到本土。日本本土被轟炸還暴露了一個嚴重的問題，受軍國主義宣傳長期灌輸戰爭狂熱，日本民眾對戰爭殘酷性缺乏認知，直至接二連三空襲造成大規模傷亡，一次又一次打破了日本民眾的心理底限，使得民心士氣受到重創。
日本天皇責成大本營給出妥善處理方案，大本營能有什麼辦法，最後給出了幾點意見，緬甸雨季之後執行攻擊印度的計劃，徹底斷絕支那外援通道，大軍威逼第五戰區，開始制定攻擊陝西的計劃，最後一個就是提高各主要城市防空炮火密度，以避開日美兩國戰機之間的差距。
轟炸機群再一次成功轟炸日本本土，讓杜立特成為了中國人心目中的英雄，激勵了中國人民的抗日斗志，再加上前段時間意大利的戰敗國府肯定不會宣傳德軍救走了墨索里尼），越來越多的中國人開始相信抗戰必將取得勝利。
而此時李振華在考慮的是如何進一步避免沂蒙機場暴露引來日軍報復的問題，利用沂蒙機場轟炸日本本土本身就是一項非常冒險的事，好在杜立特轟炸的頻次不高，要不能無論如何都保密不了，轟炸前趁著轟炸機加油的間隙，李振華向杜立特提出美國有無航程更遠的轟炸機，杜立特也表示會去問問。
李振華知道最多只要堅持到明年下半年，b29空中堡壘就要入列中美聯合航空隊。那時就不需要自己提心吊膽了。