對日本談判方案的答復。因為當時的國務卿是赫爾，所以史稱赫爾備忘錄。
11月27日，日本內閣和大本營召開聯席會議，討論赫爾備忘錄，認為開戰已勢在必行。
11月30日，突擊編隊按預定方案，實施第一次海上加油。然后以6艘航空母艦為核心排成三個縱隊，以三艘潛艇在隊列前方約200海里進行偵察。整個編隊采取嚴格的無線電靜默，只收不發，密切關注談判進程和開戰指示。當天山本電令南云，如果在12月6日前被發現，就放棄執行計劃，掉頭返航。
12月1日，御前會議最后定下開戰決心。大本營確定開戰日期為12月8日。
12月2日，山本根據大本營命令，向南云發出“攀登新高峰1208”的密碼命令，通知南云進攻日期為12月8日，即夏威夷時間12月7日。同一天，聯合艦隊更改密碼和所有軍艦的呼叫代號，以干擾迷惑美軍的無線電監聽。
12月3日，日軍計劃在馬來亞登陸的登陸艦隊從海南島三亞出發。
12月6日，突擊編隊進行最后一次海上加油。補給部隊在完成最后一次海上加油之后，便與主力分手，這樣突擊編隊此時就只剩下作戰艦艇了。山本仿效他所崇拜的東鄉平八郎向南云發出動員令：“帝國興衰在此一舉，我軍將士務必全力奮戰。”南云立即將此電文用燈光信號通報全艦隊，然后在旗艦“赤城”號航空母艦的桅桿上升起了Z字旗。——自1905年東鄉平八郎在對馬海戰中升起Z字旗取得勝利后。Z字旗便成了日本海軍的勝利標志。同一天，日本外交部致電駐美使館：毀掉密碼和密碼機，最后通牒于美國時間12月7日十三時遞交。
12月7日，突擊編隊進至中途島以東600海里，進入美軍飛機巡邏范圍，編隊形成環形防空隊形，6艘航母成兩路縱隊為隊列核心，2艘戰列艦和2艘重巡洋艦位于航母縱隊四角，9艘驅逐艦在最外圍，南云下令航速增至24節，直撲珍珠港。
先遣隊的27艘潛艇都于當天夜間到達指定位置，第一分隊4艘在瓦胡島以北海域，第二分隊7艘封鎖珍珠港東西海峽，第三分隊9艘監視珍珠港的入口。其中伊—71號潛艇向編隊報告瓦胡島西北的拉哈納錨地沒有艦艇停泊。也就是說所有的美艦都停泊在珍珠港內。于是突擊編隊的所有進攻力量都集中用于珍珠港。特別攻擊隊的5艘潛艇分別放出所攜帶的袖珍潛艇，由袖珍潛艇自行設法潛入港內。最后2艘潛艇則負責監視夏威夷同美國本土之間的聯系。當晚，突擊編隊收到東京轉來的由吉川猛夫發自珍珠港的報告：珍珠港停泊有戰列艦9艘，巡洋艦3艘，驅逐艦17艘。另有4艘巡洋艦和2艘驅逐艦在船塢。港內無航空母艦。美軍沒有飛機巡邏，也沒有部署防空阻塞氣球。
夏威夷群島位于北太平洋，東距美國西海岸約3800千米，西距日本約6000千米，距菲律賓約7000千米，戰略地位十分重要，素有“太平洋心臟”之稱。夏威夷群島的主島是瓦胡島，珍珠港就位于瓦胡島南部科勞山脈和懷特奈山脈之間的最低處，因盛產有珍珠的牡蠣而得名，是個天然良港，整個海灣形同伸向內陸的雞爪，只有通過330米寬的狹窄水道與太平洋相通。港區水域面積約25平方千米，平均水深12米，港灣內的懷皮奧半島、珍珠城半島和福特島將珍珠港分為四個小港灣，可同時停泊各種艦艇500艘。美國于1909年開始基地建設，陸續建成了設備齊全的大型造船廠、干船塢、碼頭、油庫等設施，1919年和1922年相繼建立了潛艇基地和航空基地。1933年起為了遏止日本的擴張，美國進一步加大建設，使之成為美國在太平洋上主要海軍基地和重要后勤基地。自1940年5月起，美國太平洋艦隊常駐珍珠港，珍珠港更是成為日軍南進的眼中釘肉中刺。
美國太平洋艦隊常駐珍珠港后，開始加強夏威夷地區的防御。美國陸軍于1941年2月成立夏威夷警備司令部，由華特·肖特陸軍中將任司令，統一指揮夏威夷地區的第二十四、二十五步兵師和海岸炮兵、陸軍航空兵等部隊，共約4.3萬人。
太平洋艦隊司令為金梅爾海軍上將，以珍珠港為母港的艦艇包括3艘航母、9艘戰列艦、20艘巡洋艦、69艘驅逐艦和27艘潛艇在內的百余艘。
12月7日凌晨，停泊在珍珠港的軍艦有8艘戰列艦、8艘巡洋艦、29艘驅逐艦和5艘潛艇，加上其他艦艇和輔助艦艇共94艘。
當時在海上活動的美軍艦艇約30艘，分為四個編隊：哈爾西中將指揮“企業”號航母、3艘巡洋艦和9艘驅逐艦，11月28日從珍珠港出發，向威克島運送戰斗機，正在返回珍珠港途中，原本是計劃在12月6日晚回到珍珠港的，由于種種原因在日軍發起攻擊時，還在瓦胡島以西約370千米處，逃過一劫；“列克星敦”號航母、3艘巡洋艦和3艘驅逐艦，12月5日從珍珠港出發，向中途島運送戰斗機，此時在瓦胡島以西約1300千米海域；“印第安納波利斯”號重巡洋艦和5艘掃雷艦艇正在約翰斯頓島附近進行演習；“明尼阿波利斯”號重巡洋艦和4艘掃雷艦艇已結束演習，正在返航途中，此時距離瓦胡島僅46千米。此外太平洋艦隊所屬的“薩拉托加”號航母、“科羅拉多”號戰列艦等軍艦則在美國本土整修。
美軍在夏威夷地區的航空力量由三部分組成，總共約350架飛機。其中的陸軍航空兵部隊，也就是通常所說的夏威夷空軍（此時美國尚未成立獨立的空軍），由費列德·馬丁陸軍少將指揮，下轄第十八轟炸機聯隊和第十四驅逐機聯隊，分別以希凱姆機場和惠勒機場為主要基地，共有32架B—18轟炸機、12架B—17轟炸機、12架A—20轟炸機、99架P—40戰斗機、39架P—36戰斗機、14架P—26戰斗機。
海軍航空兵主要以卡紐黑和福特島機場為基地，共有71架PBY“卡塔林那”水上反潛巡邏機、14架OS2U“魚狗”艦載觀察機（其中9架在戰列艦上）。
海軍陸戰隊航空兵以伊瓦機場為基地，共有11架F4F“野貓”戰斗機、24架SBD“無畏”魚雷機和8架SB2U魚雷機。
1941年4月，夏威夷美國陸海軍經過磋商，達成了空中防御協定，遠距離空中警戒由海軍承擔，近距離空中防衛由陸軍負責。
肖特中將認為夏威夷的日本人和日裔美國人對飛機的破壞將會使飛機最有可能遭到損失，所以命令將飛機密集排列在跑道與停機坪之間的滑行彎道上，以便于采取安全警戒措施，但一旦遭到空襲，只要一枚炸彈爆炸就會迅速波及到所有飛機！
1941年12月7日凌晨四時，（夏威夷時間，下同。即東京時間12月7日二十三時三十分）突擊編隊經十二天約6600千米的航程，順利抵達珍珠港以北約420千米的預定展開海域。飛行員被喚醒，各自系好象征吉祥的千針帶，留下附有頭發或指甲的遺書，然后吃過早飯，在作戰室里聽取最后的簡況介紹，等待出擊命令。
五時三十分，“利根”號和“筑摩”號兩艘巡洋艦分別彈射起飛1架零式水上偵察飛機，對珍珠港進行戰前偵察。
六時，第一攻擊波的飛機開始起飛。此時起飛海域天氣正在轉壞，風浪很大，航母橫擺超過十度，平時這樣的海況起飛是會取消的，但現在起飛僅僅只是推遲了二十分鐘。航母上所有不當值的官兵都擠在飛行甲板上揮舞著帽子、頭巾歡呼著為突擊機群壯行！從6艘航空母艦上共起飛183架，包括40架九七式魚雷機，51架九九式俯沖轟炸機，49架九七式水平轟炸機，43架零式戰斗機。魚雷機各攜一條800千克魚雷，俯沖轟炸機各攜一枚250千克爆破彈，水平轟炸機各攜一枚800千克延時引信穿甲彈。十五分鐘后，機群在艦隊上空集合完畢，編成預定隊形，以3000米高度向珍珠港飛去。空中總指揮兼水平轟炸機領隊“赤城”號飛行長淵田美津雄中佐，魚雷機領隊是村田重治少佐，俯沖轟炸機領隊是“翔鶴”號的高橋赫一少佐，戰斗機領隊是板谷茂少佐，所有飛機垂尾上均涂有三道黃色識別帶。飛行途中，淵田為導航而收聽檀香山的廣播時，意外地收到他迫切需要的珍珠港天氣預報，令他驚喜不已。
六時三十分，美軍的3架水上飛機在瓦胡島南部海域進行例行的巡邏飛行時，發現可疑潛艇，飛行員使用密碼向基地報告，以致延誤了時間。
六時三十七分，美軍的“沃德”號護航驅逐艦發現正尾隨“大火星”號拖靶船企圖通過防潛網的袖珍潛艇，值勤軍官威廉·戈普那中尉立即報告艦長威廉·奧特布里奇上尉，奧特布里奇艦長于六時四十分下令開火，六時四十五分“沃德”號三號炮開炮射擊，第一發未中，第二發擊中了袖珍潛艇的指揮臺，這一炮也就成為太平洋戰爭中的“第一炮”！“沃德”號隨后全速駛向潛艇的下潛處投下一串深水炸彈，將其擊沉。——這是日軍廣尾彰少尉和片山義雄中士駕駛的伊—20號袖珍潛艇。“沃德”號擊沉袖珍潛艇后便向分區司令部報告。六時五十三分，“沃德”號第二次發出報告。分區司令部值班軍官卡明斯基中校漫不經心，要求進行核查。直到七時四十分，分區司令克勞德·布洛克少將才接到報告，他感到事態嚴重，下令加派“莫納漢”號驅逐艦前去支援。此時距空襲開始僅有十分鐘，為時已晚。
七時零二分，設在瓦胡島北端卡赫庫角上的流動雷達站發現有大批飛機正向珍珠港飛來，距離約160千米。雷達兵約瑟夫·洛克德和喬治·埃利特立即報告情報中心，但值班軍官克米特·泰勒中尉認為是從加利福尼亞飛來的飛機，不已為然地安慰雷達兵不要緊張，于是兩名雷達兵就眼睜睜地注視日軍飛機越飛越近，直到七時三十九分日機臨空。
七時三十分，〔華盛頓時間下午一時〕，這是日本外交部規定的遞交最后通牒的時間，由于領事館解雇了美籍工作人員，日方人員的英文打字速度太慢，文件還沒有打印好，也就無法按時遞交。野村大使的助手打電話給美國國務院，將原定的約見時間推遲至一時三十分。
七時三十五分，日軍機群飛臨瓦胡島，珍珠港全景盡收眼底，美軍戰列艦獨特的籠式和三足式桅桿清晰可見。
七時四十分，日軍飛機展開成攻擊隊形。為取得最大的戰果，日軍制訂有兩套攻擊方案，一是奇襲方案，在美軍沒有戒備時采用，先由魚雷機攻擊，再由轟炸機攻擊。二是強攻方案，在美軍已有準備時采用，先由轟炸機攻擊，壓制和吸引防空火力，再由魚雷機攻擊。戰斗機則不論哪種方案都要搶占有利高度，以奪取制空權。采取何種方案是由空中指揮官臨機決定。規定一發信號彈是奇襲，二發信號彈是強攻。淵田見美軍毫無戒備，決定采取奇襲方案，打出一發信號彈，由于戰斗機被云層遮掩，沒有看到信號，淵田就再向戰斗機打了一發信號彈，這次戰斗機看到了，立即爬高搶占有利高度，但卻讓俯沖轟炸機的長機誤為是二發信號彈，采用強攻方案，便加速向機場飛去。
七時四十九分，淵田下令全體攻擊！后座通信員立即拍發攻擊命令：突！突！突！
七時五十三分，淵田見美軍毫無防備，知道攻擊必然成功，便不等戰斗打響，就急不可耐地命令拍發勝利密碼：托拉！托拉！托拉！意為虎！虎！虎！令人驚奇的是，九七式飛機功率并不大的機載電臺所發出的電波竟穿越漫漫太平洋，被遠在萬里之外的“大和”號戰列艦接收到。
七時五十五分，俯沖轟炸機首先從4000米高度向希凱姆機場、惠勒機場、福特島機場進行大角度俯沖投彈，一時間機場上彈片橫飛，火光沖天，濃煙四起。魚雷機此時剛飛到造船廠，就見到機場上冒起的濃煙，領隊長機村田少佐不由大吃一驚，他想奇襲方案應由魚雷機首先攻擊，怎么轟炸機先打響了？為了不被濃煙遮住目標，他立即率領魚雷機隊加速抄近路沿西部山谷于七時五十七分投入攻擊。40架魚雷機分為兩批，一批16架對福特島西側錨泊軍艦實施攻擊，另一批24架對福特島東側的戰列艦進行重點攻擊。
七時五十八分，美軍布雷艦隊司令威廉·弗龍少將最先看到一架飛機俯沖投彈，起先他還以為是飛行員誤觸投彈按紐的意外事故，再仔細一看，飛機上鮮紅的旭日機徽赫然在目，于是意識到是日軍空襲，立即下令港內軍艦出港規避。幾乎同時，羅根·雷姆賽中校快步奔進福特島指揮部，命令控制塔拉響空襲警報，并用口語廣播宣布：珍珠港遭到空襲！這不是演習！隨后，美國太平洋艦隊司令金梅爾上將命令將這個驚人的消息用無線電通知太平洋艦隊的所有部隊。
與此同時，美軍的零星反擊也開始了，一些美艦上的高炮開火了。島上陸軍的33個高炮連僅有4個連開火，大多數高炮連的炮彈還在彈藥庫，根本來不及投入作戰。整個珍珠港美軍幾乎沒有有組織的抵抗。
八時零五分，淵田率水平轟炸機經瓦胡島西側，從南面進入轟炸航線。五機一組，編成單機間距200米的縱隊隊形，在3000米高度，向福特島東側的戰列艦和高炮火力比較集中的伊瓦機場進行轟炸。擔任掩護的戰斗機見沒有美機升空，便分為6個編隊對6處機場進行了掃射。
八時十分，（華盛頓時間下午一時四十分），比日本外交部預定的遞交最后通牒的時間晚了四十分鐘，此時珍珠港的戰斗已經打響二十分鐘了。美國國務卿赫爾在接見日本代表前已經知道珍珠港遭到了偷襲，但是羅斯福總統要求他只要收下日方的答復，冷淡地把日方代表送走。于是赫爾裝作認真地閱讀了日方的答復，然后用難以掩飾的憤怒說：“這是我任職五十年來，從未見過如此卑鄙的政府和如此虛偽歪曲的文件！”正是由于在遞交正式宣戰的文件之前，日本就發動了進攻，激起了美國舉國上下無比的憤慨。山本在接到勝利的電文后，絲毫沒有大勝的喜悅，對前來祝賀的部屬只是淡淡地說：“我們只不過喚醒了一個沉睡的巨人。” 美軍第五十七驅逐機中隊的五位飛行員，見所在的惠勒機場已遭嚴重破壞無法起飛飛機，便立即搭乘兩輛汽車冒著日機的炮火一路飛奔到偏僻的哈羅瓦機場，日軍顯然沒有注意到這個小機場上竟有5架P—40和1架P—36，八時十五分，肯尼斯·泰勒少尉、喬治·威爾少尉、哈利·布郎少尉、羅伯特·羅杰斯少尉和約翰·戴恩斯少尉駕駛5架P—40戰斗機起飛，這是美軍第一批升空迎戰的飛機，在巴伯斯角上空與日軍十二架飛機展開激戰，共擊落三架日機。空戰中威爾少尉座機的三挺機槍中有一挺因連續發射過熱卡了膛，泰勒的胳臂和大腿都受了傷。他們剛剛降落，威爾的機槍還未冷卻，泰勒也還沒接受急救，第二批十五架日機又呼嘯而至，兩人又立即起飛迎敵。日機在泰勒飛機后方搶占了有利位置，正準備攻擊，威爾見情況緊急迅速急轉對準泰勒最具威脅的那架日機，連連開火，日機中彈起火墜毀，泰勒因此得救，威爾隨即轉向海上追擊另一架日機，就在海岸外八千米處追上它，一陣急促而準確的射擊將其擊落。這批美機在空中奮力迎戰，總共擊落了7架日機，其中泰勒少尉、威爾少尉分別擊落2架和4架，因此雙雙榮獲優異服役十字勛章，尤其是威爾少尉取得了偷襲珍珠港中最高戰績，成為珍珠港第一英雄。美軍后來又陸續從各機場起飛了25架飛機，但是由于倉促應戰，準備不足，協同不好，有的被日機擊落，有的被己方高炮擊落，沒能有效阻止日軍的攻擊。
八時二十五分，日軍第一波飛機開始返航。淵田則繼續留在珍珠港的上空，觀察戰果并指揮第二波飛機的攻擊。在第一波攻擊中，日軍損失了9架飛機，其中魚雷機5架，戰斗機3架，轟炸機1架。日軍第一波的攻擊目標主要是美軍的戰列艦。“亞利桑那”號被擊中二條魚雷，后來又被四枚800千克重磅炸彈命中，更致命的是其中一枚炸彈穿透前甲板，在彈藥艙爆炸，引發了驚天動地的大爆炸，致使該艦在幾分鐘里沉沒，全艦1000余名官兵無一生還。“西弗吉尼亞”號左舷被擊中六條魚雷，盡管損管人員奮力搶救，仍無法控制住左傾，最終傾覆沉沒。“西弗吉尼亞”號上的重量級拳擊冠軍二等炊事兵陶樂斯·米勒積極救助傷員，后又操作高射機槍猛烈射擊日機，正因為他的英勇表現使他成為美國海軍第一位榮獲優異服役十字勛章的黑人士兵，并由繼任太平洋艦隊總司令的尼米茲上將親自授勛。“加利福尼亞”號被三條魚雷分別擊中艦橋下方、3號炮塔下方和左舷中部，并有一枚800千克炸彈穿透甲板在艙內爆炸，使得艦首上翹，沉入海底。“俄克拉荷馬”號接連被三條魚雷擊中左舷，由于該艦水密性較差，爆炸又震開許多水密門，海水洶涌而入，加上艦長不在艦上，無人指揮，所以很快沉沒。“田納西”號雖然只被擊中三枚炸彈，但受到外側“西弗吉尼亞”號沉沒時的擠壓，又被后面相距僅23米的“亞利桑那”號爆炸的火焰波及，引起上層建筑多處起火，導致重創。“馬里蘭”號被二枚800千克炸彈命中，是所有戰列艦中受傷最輕的，也最早修復。“內華達”號被一條魚雷擊中左舷，幸好不是關鍵部位，而緊鄰的“亞利桑那”號上的熊熊大火，對“內華達”號威脅甚至更甚于日機，于是實際指揮的弗郎西斯·湯姆斯海軍少校決定起錨出港規避，水手長埃德溫·希爾勇敢跳入水中游上碼頭，解開纜繩，使“內華達”號能迅速起航。“內華達”號的突圍也就成為第一波空襲中最驚心動魄的戰斗，當“內華達”號在沒有任何拖船協助下，倒退著離開錨地，成功駛入出港航道，四周軍艦爆炸起火，灼熱異常，“內華達”號上的炮手不得不抱住炮彈以免其受熱爆炸。“內華達”號帶著濃煙駛向造船廠前的航道最狹窄處，日軍牧野三郎大尉指揮的俯沖轟炸機發現了這一情況，牧野決定利用這一機會實施集中攻擊，將其擊沉在航道上以徹底封閉珍珠港，為分散美軍防空火力，日機從東南、西南兩方向同時投入攻擊，“內華達”號連中六枚炸彈，傷勢嚴重，湯姆斯見已無突圍可能惟恐軍艦在航道上沉沒而堵塞航道，立即在福特島西南淺灘搶灘擱淺。
八時四十分，日軍第二攻擊波飛臨瓦胡島，共有171架，其中81架九九式俯沖轟炸機，54架九七式水平轟炸機，36架零式戰斗機。九九式各攜一枚250千克爆破彈，九七式各攜2枚250千克穿甲彈或是1枚250千克加6枚60千克炸彈。空中總指揮兼水平轟炸機領隊長機是“瑞鶴”號飛行長島崎和重少佐，俯沖轟炸機領隊是“蒼龍”號飛行長江草隆繁少佐，戰斗機領隊是進藤三郎大尉，這一批飛機是七時十五分從航空母艦上起飛的，經過一小時二十五分鐘的飛行趕來的。
八時五十五分，開始第二波攻擊。日軍戰斗機首先對空中的零星美機進行攻擊，以確保掌握制空權。美軍漢斯·克利斯汀少尉、喬治·懷特曼少尉和薩繆爾·比謝普少尉跳上3架P—40戰斗機從瓦胡島東部的貝洛機場強行起飛，結果漢斯·克利斯汀少尉剛爬入機艙還未開始滑行，就被日機擊中，機毀人亡。其余兩人盡管起飛升空，很快也被日機擊落。第四十六驅逐機中隊六位飛行員在路易斯·桑德斯中尉的率領下駕駛P—36戰斗機起飛，他們對正在轟炸一處機場的六架日機發起攻擊，日機見有美機迎戰便倉卒逃走，美機猛撲過去，桑德斯對領隊日機開火，日機立刻冒著濃煙，搖搖晃晃地墜海。戈登·斯特林少尉緊盯住一架敵機，另一架日機則在他尾后向他開火，斯特林座機中彈起火但仍繼續射擊前面的日機，兩架飛機一齊墜落。混戰中美機共擊落兩架日機，菲利普·拉斯姆森少尉福星高照，駕駛著被打出544個彈孔的座機安全落地！這些英勇升空迎戰的飛行員后來都獲得了銀星勛章和紫心勛章。日機在肅清了空中的美機后便轉入對地面目標的掃射，水平轟炸機攻擊了卡紐黑、希凱姆和福特島三處機場。俯沖轟炸機則對有彈幕射出的軍艦進行俯沖轟炸，這樣就能避免重復攻擊已受重創的美艦。“內華達”號戰列艦正由拖船拖往韋波角，成為日機集中攻擊的目標，艦上的消防管被炸斷，只好由拖船用水泵全力協助該艦滅火。當日機見錨地里停泊的軍艦都已沉沒或起火，便轉而攻擊在船塢里的艦船。“賓夕法尼亞”號戰列艦正在船塢里大修沒被第一波的魚雷機發現，所以沒有受到攻擊。但被第二波的日機投下的一枚炸彈命中，炸壞了小艇甲板。“肖”號驅逐艦被炸飛了艦首，起火的燃油隨海水四下蔓延，引爆了在船塢里的另二艘軍艦。在北部港灣里停泊的輔助船只也被第二波的日機炸沉炸傷多艘。
空襲開始不久，夏威夷醫藥協會總會便接到救護傷員的緊急電話，二十分鐘里，醫生和志愿者就已經把擔架和醫療器械裝上汽車，直奔現場。汽車大隊的婦女駕駛著每輛可用的汽車，搭載兵員馳往珍珠港。公路上的情況已是一片混亂，軍方車輛、消防車、救護車和幾百輛運送官兵奔赴作戰崗位的計程車，塞滿了十千米長的公路上，喇叭聲響徹云霄。汽車大隊的女駕駛員表現尤其出色，真可謂巾幗不讓須眉。受傷的官兵被緊急送往翠普勒陸軍醫院，院方急召檀香山的醫生參加救護，正巧有五十名醫生正在聽紐約的約翰·穆爾黑德博士講解戰時外科手術，立刻趕往醫院，投入救護工作。穆爾黑德博士剛示范過一項新醫療儀器，能很快測出人體內金屬。那天早晨，這種儀器表現出巨大價值，節省了許多等待沖洗X光底片的寶貴時間。
在海軍醫院，原來在院內治療休養的病人被送到外面的臨時病房，為由擔架抬來的受傷人員騰出病床。許多年輕的水兵斷臂缺腿，還有幾百名被烈焰灼傷。這些年輕人的勇氣令人難以置信——病房里滿是傷患人員，許多人傷勢嚴重甚至已經奄奄一息，但卻是一片靜寂，無人呻吟。
在第一攻擊波后，美軍已做好了戰斗準備，因此第二波遭到了較為猛烈的高射炮火射擊。有20架日機被擊落，其中戰斗機6架，轟炸機14架。
九時四十五分，第二波的飛機開始返航。淵田駕機繞珍珠港低空盤旋一周拍攝了被炸后的情景，才最后一個返航。
十時，由哈爾西中將率領的以“企業”號航空母艦為核心的特混艦隊，完成向威克島運送增援戰斗機的任務正在返回珍珠港的途中，接到太平洋艦隊司令金梅爾上將的命令，向南追擊日軍艦隊。這一命令是根據一連串錯誤的報告和無線電定位下達的，幸虧是錯誤的方向，不然，哈爾西的這支小艦隊要是真的同日軍艦隊交手的話，肯定會被日軍消滅，那么就不可能有日后在太平洋上立下赫赫戰功的哈爾西和“企業”號航空母艦。徒勞無功的哈爾西率領艦隊于12月9日下午才返回珍珠港。
十一時，醫院血庫的血漿存量銳減，福雷斯特·平克頓醫生立即廣播呼吁獻血。半小時內已有五百人聚集在醫院門外等候獻血，醫護人員分十二個地點驗血、抽血，但仍感人手不足，有的人竟然足足排了七個小時才獻上血。
十三時，日軍第二攻擊波的飛機陸續返回航空母艦降落。淵田最后降落，他和第二航母艦隊司令山口多聞少將都強烈要求進行第三次攻擊。但是南云認為，攻擊已取得了巨大成功，而美軍的航空母艦和潛艇都沒出現，如果突擊編隊在這一海域逗留時間過長，會遭到攻擊，增加不必要的損失。他現在最重要的任務就是要把這支日本海軍的主力艦隊安全帶回日本。所以拒絕了淵田和山口的建議，下令返航。突擊編隊收回飛機后，立即高速北撤，至12月9日已遠離珍珠港1100千米以上。
12月15日，返航途中的突擊編隊接到山本的命令，派出若干兵力支援威克島登陸作戰。根據這一命令南云抽調航母、巡洋艦和驅逐艦各2艘，前去支援威克島登陸作戰，自己率主力繼續返航。
12月23日，突擊編隊主力安全回到日本瀨戶內海。
12月28日，支援威克島的8艘軍艦完成任務回到柱島基地。
沒有與突擊編隊一起行動的中途島破襲部隊于11月28日從日本館山起航，按預定計劃于12月8日深夜炮擊了中途島，共發射127毫米炮彈300發，給中途島美軍造成了一定損失，然后調頭返航，于12月21日回到瀨戶內海。
后來接替金梅爾繼任美國太平洋艦隊司令的尼米茲上將認為南云把突擊時間限定為一天，突擊目標又限定在有限范圍里，沒有最大限度利用這一來之不易的絕好機會。山本五十六評價南云是個庸材，說他在指揮時就象小賊入室行竊，開始時志在必得，膽大包天，稍一得手便心虛膽怯急于溜走。由于日軍沒有進行第三次攻擊，而前兩次攻擊中日軍又只重視對軍事目標的打擊，根本沒有攻擊珍珠港各種修造船設施齊全的造船廠和儲存有4萬加侖燃油的油庫。日后美軍正是利用造船廠的設備迅速打撈修復受創的軍艦，正是利用油庫的燃油使得航母頻頻出擊，在短時間里恢復了太平洋艦隊的戰斗力。設想一下，日軍即使只炸毀了油庫，也足以讓完整無損的太平洋艦隊在六個月里無法出動。這是日軍在這次偷襲中最大的失誤！
另外在日機空襲時，從加利福尼亞飛來的12架B—17轟炸機和從“企業”號航空母艦上起飛的18架SBD“無畏”式俯沖轟炸機，正好飛到珍珠港。這兩批飛機都是經過長途飛行，油料所剩無幾，無法另尋機場著陸，只好冒著日機的轟炸和美軍的高射炮火強行降落，在一片混亂中，共損失了2架B—17和10架無畏。
當日軍飛機開始轟炸后，潛入珍珠港的日軍伊—16號袖珍潛艇由橫山正治中尉和上田定二軍士長駕駛也趁火打劫，發射兩枚魚雷均未擊中目標，并于晚二十二時許向母艇發出攻擊成功的電報，后被美軍擊沉。伊—24號袖珍潛艇在港口入口處被美艦發現，遭到攻擊后帶傷逃脫，由于傷勢較重操縱失控，致使兩次觸礁，加上畜電池電力耗盡，無法發射魚雷，兩名艇員只好棄艇。其他的兩艘袖珍潛艇都先后在珍珠港的入口處被美軍擊沉。這支特別攻擊隊的十名艇員中只有伊—24號艇的艇長酒卷和男少尉僥幸生還，成為太平洋戰爭中第一個被美軍俘虜的日軍。
日軍部署在珍珠港周圍共有20艘潛艇，一來用于偵察監視，二來準備伏擊在空襲時企圖出港躲避或是追擊日軍艦隊的美艦，由于在空襲時并無美艦出港，所以未有戰果。倒是“伊—70”號潛艇在12月9日下午跟蹤返航的美軍“企業”號航空母艦編隊時被美軍飛機發現后擊沉，艇上68名官兵無一幸存。其余潛艇在攻擊結束后陸續撤離珍珠港。
整個空襲行動持續約兩小時，真正的攻擊時間約一小時三十分。日軍共消耗魚雷40條，各種炸彈556枚，總計約144噸。戰斗中損失飛機29架，由于日軍飛行員都抱著必死的決心，全都不帶降落傘，所以機上55名飛行員全部陣亡。加上起飛時有1架飛機因故障墜毀，返航時有2架飛機因迷航而墜毀，總共損失飛機32架。還損失1艘大型潛艇和5艘袖珍潛艇，陣亡艇員77人，被俘1人。總計人員損失133人。
美軍有四艘戰列艦“亞利桑那”號、“加利福尼亞”號、“西弗吉尼亞”號和“俄克拉荷馬”號以及一艘布雷艦“奧格拉拉”號，一艘靶艦“猶他”號沉沒。一艘戰列艦，三艘巡洋艦，三艘驅逐艦重創，三艘戰列艦，三艘巡洋艦，五艘輔助艦輕傷。飛機被毀260架，傷63架。人員死亡2334人，失蹤916人，傷1341人。
“加利福尼亞”號、“西弗吉尼亞”號后來被打撈起來，重新參戰。美軍也對沉沒的“亞利桑那”號進行過探察，看看是否有打撈的可能，最后見實在沒有希望，就將暴露在水面上的艦體拆除，水底部分的艦體仍留在沉沒的地方。1962年12月7日珍珠港紀念日，在該艦的殘骸上建成珍珠港紀念館，現在已成為夏威夷最著名的游覽勝地。“俄克拉荷馬”號后被扶正，并被拖走，雖然也進行過修復，但徒勞無功，后于1944年9月退役，1947年5月17日在拖回美國本土的途中遭遇風浪沉沒。“猶他”號是1909年下水的老戰列艦，已拆除了大部分武備而被降格為靶艦，所以美軍沒有進行挽救。布雷艦“奧格拉拉”號建成于1907年，是珍珠港內最老的軍艦，早已極少升火起航，據說連煙囪里也有海鳥筑巢，自然美軍也不會進行修復。所以實際上美軍在偷襲珍珠港中最終的損失，就只有這四艘軍艦。
也有不同資料稱，沉四艘戰列艦，一艘巡洋艦，二艘驅逐艦，傷四艘戰列艦，四艘巡洋艦，一艘驅逐艦，八艘輔助艦。飛機被毀188架，傷159架。人員死亡2403人，失蹤255人，傷1178人。綜合而言，美軍在珍珠港的大型軍艦損失約50%，飛機損失約70%，人員傷亡約三四千人。
盡管偷襲的主要目標美國太平洋艦隊的三艘航空母艦及二十二艘其他軍艦不在珍珠港，而且油庫、造船廠未遭破壞，但是日軍此次偷襲作戰，組織周密，行動果敢，代價小，戰果大，堪稱突襲戰例的經典之作。
12月7日當晚，美國總統羅斯福召開內閣緊急會議，商討對策。次日，羅斯福向參眾兩院發表戰爭咨文，羅斯福總統擯棄了輪椅，堅持站著發表了簡短但是感人的演講，要求對日宣戰。他的講話在雷鳴般的掌聲中獲得一致通過。從此后美國正式參戰。
珍珠港事變后一連幾天下午，數千名死難者，經過簡單莊重的儀式被陸續入土安葬，每個墳前都放置著一束鮮花，一排神情嚴肅的陸戰隊士兵，對空鳴放三槍，號兵吹響了葬儀號。1942年元旦，珍珠港舉行了一次追思彌撒，向死難者致敬。數百名參加者都佩戴花環，以示對亡靈的敬意。六名夏威夷少女唱起“珍重再見”的歌曲，在沉重肅穆的氣氛中太平洋艦隊牧師威廉·麥圭爾堅定地說：“我們不是以悲哀的心情來埋葬死者，他們死時是大丈夫，入土時也是大丈夫。無論如何，我們一定要為他們報仇！”——這就是珍珠港事變之后，所有人的心聲！
從軍事意義上講，日軍偷襲珍珠港和12月9日空襲美軍在菲律賓的航空兵基地，12月10日擊沉英國遠東艦隊的“威爾士親王”號戰列艦和“反擊”號戰列巡洋艦。一舉消滅了盟軍在東南亞和太平洋上的三支最具威力的部隊——即美國的太平洋艦隊，美國駐菲律賓的航空兵和英國遠東艦隊，取得了在東南亞的制空權和制海權，為日軍橫掃東南亞奠定了基礎。
從軍事理論上講，偷襲珍珠港和12月10日擊沉“威爾士親王”號、“反擊”號兩艘軍艦，充分說明了航空母艦已取代戰列艦成為海戰的霸主。美國主觀上吸取了珍珠港的教訓，摒棄了舊的傳統海戰理論，客觀上其戰列艦部隊已受到毀滅性打擊，只能組織以航空母艦為核心的艦隊來實施海上作戰，并在實踐中不斷改進和提高完善，逐漸創造摸索出一整套航母為核心的特混艦隊的戰略戰術。反觀日軍，作為偷襲珍珠港的創造者，并沒有深刻認識到航空母艦及其艦載機在海戰中所起的決定性作用，仍然沉湎于舊的傳統的戰列艦海上決戰理論，因循守舊，最終抵消了在偷襲珍珠港中所取得的物質上的戰果。
美軍蒙受巨大損失的原因主要有：
第一沒有看到武器裝備的發展給海戰方式帶來的巨變，仍認為海戰的決定力量是戰列艦，海戰的主要手段是戰列艦之間的海上決戰。所以認為珍珠港距日本有3000海里之遙，在日軍艦隊的有效攻擊范圍之外。這一論點就是以戰列艦為核心的艦隊的作戰半徑來衡量。最終使得對日軍的作戰方向和目標產生錯誤判斷。
第二盲目自大，輕視敵手。美軍自恃其海軍實力雄厚，十分輕視日軍的戰斗力，認為日軍不敢發動戰爭，日軍的航空母艦不具備遠程奔襲的能力，也研制不出淺水魚雷，所以錯誤判斷一旦戰爭打響，日軍首先會攻擊東南亞，而不是珍珠港。因此在美日關系極度緊張之時，美軍只是命令東南亞的部隊進入戒備，甚至于對一些明顯的戰爭征兆，視若無睹。早在1941年1月，美國駐日大使格魯就向美國國務院報告，日本一旦與美國開戰，將首先襲擊珍珠港。但這一信息，美軍不以為然。此后，美國還多次截獲日本收集珍珠港情報的電文，多次發現在珍珠港活動的日本間諜，但都被當作一般的情報活動而未加重視。在偷襲的前夕，美軍情報部門截獲并破譯了日本駐檀香山領事館用密碼報告的有關珍珠港美軍軍艦動向的情報，同時發現日本領事館正在大量焚燒文件。還發現日軍一反六個月改變密碼和呼叫代號的慣例，在一個月里兩次變更密碼和呼叫代號。像這樣的顯而易見而又重要的跡象，都沒有引起重視。特別是美國陸軍情報處代號為“魔術”的小組，破譯了日本的外交密碼，從而獲悉日本將拒絕“赫爾備忘錄”，并于華盛頓時間12月7日下午一時遞交最后通牒，便判斷出這一時間將意味著在太平洋某處的美軍遭到襲擊。羅斯福總統也認為這意味著戰爭。但是美國軍方據此情報發出的進入戒備狀態的命令，卻不是由軍方的電臺發出，而是由商業公司的電報網發出。當這一命令到達珍珠港時，空襲已過去幾小時了。
第三疏于戒備，雖然在夏威夷的美軍沒及時收到進入戒備的命令。但是，在太平洋上美日之間的矛盾已處于極度緊張的時刻，夏威夷的防御仍非常松懈，原定的飛機巡邏措施從未付諸實施。星期日，停泊在港內的軍艦上照例有官兵上岸休假，情報中心停止工作，甚至檀香山和夏威夷軍區司令部所在地謝夫特堡之間的電報通訊機構也停止辦公。以致于在遭到日軍襲擊時，通信中斷，指揮癱瘓。此外，港內停泊的軍艦密集排列，有的甚至是并列停靠，一旦遭襲，根本無法機動，還遭受到旁邊軍艦爆炸和大火的波及。而且夏威夷軍區無視美國海軍在1940年11月英軍空襲意大利塔蘭托軍港后要求各海軍基地加強防魚雷措施的命令，認為日軍造不出淺水魚雷，而防魚雷網反倒影響軍艦出入，所以未加落實。事實上正是日軍的淺水魚雷給了美軍最大的打擊。
第四美國沒有完善的戰略情報綜合分析判斷機構，珍珠港事件之后，美國在調查中發現國防和軍事戰略情報機關不健全、不統一，也是導致國家統帥決策機關戰略判斷失誤的重要因素。亡羊補牢，美國迅速在珍珠港事件后建立健全了戰略情報機關，相繼成立參謀長聯席會議、戰略服務處、戰略情報局和聯合情報委員會等機關。其中于1942年2月成立的參謀長聯席會議，作為美國總統、國會和國防部長的主要軍事咨詢機關，同時也是美國武裝力量的最高軍事領導機關，是由陸海空三軍參謀長組成，主席由總統從三軍將領中選拔任命，并將參議院批準，其職能是擬定戰略、動員及后勤保障計劃，根據總統和國防部長的命令指揮美軍的軍事行動，并協調與盟國及各軍兵種之間的戰略協同。戰略服務處作為參謀長聯席會議的直屬咨詢機關，其成員多為軍事專家和學者，主要進行戰略情報預測和戰略決策的顧問，及時以報告和建議的形式向參謀長聯席會議提出咨詢意見。戰略情報局負責為參謀長聯席會議搜集和分析戰略情報，并規劃和實施參謀長聯席會議所下達的特別行動，該局就是日后赫赫有名的中央情報局的前身。聯合情報委員會由陸海空三軍情報機關、國務院、戰略服務處和對外經濟委員會的代表組成，統一對戰略情報進行收集、分析和判斷，向總統和參謀長聯席會議提交戰略判斷報告。這些機關在戰略情報方面所從事的工作確實在戰爭中發揮了重大作用。
除了以上原因，還有史學家認為，美國早已獲知日軍的偷襲計劃，珍珠港事變只不過是羅斯福的苦肉計。因為當時美國國內孤立主義思想非常嚴重，使得羅斯福總統很多援助英、蘇、中等國的計劃受到擎制，而作為極富遠見的杰出政治家，羅斯福很清楚，如果不及時援助正在艱苦奮戰的英、中、蘇等反法西斯國家，等到軸心國確實控制了歐亞大陸后，美國將無力獨自抵抗已經根基牢固的德、意、日軸心國。所以早參戰比晚參戰有利，但國內的孤立主義只圖眼前利益，不愿參戰。因此羅斯福不惜以珍珠港為代價，喚醒民眾的覺醒和敵愾，粉碎孤立主義的幻想。——12月8日，羅斯福在國會的參戰演講和戰爭咨文獲得了一致贊同，孤立主義一夜之間煙消云散。
另據五十年后解密的檔案透露，珍珠港事變的前一天，即12月6日，從馬來亞哥達巴魯機場起飛的澳大利亞空軍的1架偵察機發現了正向馬來亞航行的日軍登陸艦隊，立即報告上級，并要求加派其他飛機來接替跟蹤。但是，盟軍駐遠東空軍司令英國空軍上將布魯克卻命令取消跟蹤監視。駐澳大利亞的美軍代表史密斯上校得知這一消息，立即要求通報美國。但澳大利亞戰時內閣拖延十二小時后才批準史密斯的要求。這份報告實際上直到十七小時后才經夏威夷轉到華盛頓，早已失去了價值。布魯克和澳大利亞戰時內閣的這些令人疑惑的舉動最合乎邏輯的解釋是：處于艱難困苦中的英國，為了使美國早日參戰，即使是以馬來亞遭偷襲為代價也是值得的。最有力的佐證就是英國首相丘吉爾在得知珍珠港遭偷襲后的日記里寫到：這是一個好消息！ （周明）
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