李梅同时还下令，除尾炮外，B-29上所有的武器均由燃烧弹替换。此令一下，全军哗然，几乎所有的人都认为这一决定太冒险了。但李梅信心十足，甚至还决定延后将计划呈送华盛顿的时间，自己承担此次作战任务的全部责任。战前的动员会上，李梅激动地呐喊：“我们要烧掉那些木板做的日本城市！让我们放一个日本人从未听过的大鞭炮！”参战的机组人员被他的激情与魅力感染，不再疑惑重重，全力投入到空袭的准备工作之中。

23日夜，174架B-29轰炸机在东京抛下大量凝固汽油弹，东京约2.56平方千米的地方变成了废墟，美国出师大捷。当夜，裕仁天皇紧急召见前首相东条英机和其他政府要员分析战争局势。26日，东条英机回复天皇：估计美国人不可能再增加轰炸机突袭，甚至无法保持目前的攻击率。即便美国真的可以，这种来自两千多公里外的袭击，也不应成为打击日本信心的诱因。

3月9日，日本军国主义“军人节”的前一天，东京街头一片繁华景象，人们互相问候着，以表达对战争前线亲人的平安愿望。另一边，美军正在李梅的统帅下，做着突袭的最后准备。傍晚5点34分，托马斯·鲍尔准将率领334架B-29“超级空中堡垒”从马里亚纳群岛的塞班岛和提尼安岛机场起飞，扑向日本东京。

3月10日零时15分，美军的轰炸正式开始，此前一直对B-29不利的天气，这次也帮了大忙。炸弹爆炸的瞬间，一股大风突然刮起，火势迅速蔓延开来。空袭持续了两个小时，风借火势，火助风势，烈火席卷了整个东京。

天亮之后，人们才看清了空袭的结果：建筑物和街道都已残破得无法辨认，只剩下一些残垣断壁，河水几乎都蒸发掉了，呈各种姿势蜷缩着的烧焦尸体遍地都是，就连空气中都弥漫着难以名状的臭味。据日本东京警视厅统计的数字，轰炸当晚约有10万人死于火海，还有10万人有不同程度的烧伤，另外100多万人无家可归，单是大火之后的清理工作就进行了25天。难怪一位幸存者回忆说：“那一刻，我怀疑自己是否还在人间。”

轰炸之后18小时，日本当时的首相小矶昭国发表电台讲话，强烈谴责美国的残酷与野蛮，并提醒日本国民类似的空袭可能还会出现。事实确如日本政府所想的那样，3月10日后，李梅指挥部队先后又对名古屋、大阪、神户等大城市和其他中心城市、交通干线进行了燃烧弹轰炸，整个日本几乎都被点燃了。

美国实现了最初的目标，让日本为曾经的恶行付出了极其惨重的代价，但因行为方式过于残忍，“李梅火攻”也遭到了许多人的质疑与诘问。