立即率领鱼雷机队加速抄近路沿西部山谷于七时五十七分投入攻击。４０架鱼雷机分为两批，一批１６架对福特岛西侧锚泊军舰实施攻击，另一批２４架对福特岛东侧的战列舰进行重点攻击。
七时五十八分，美军布雷舰队司令威廉。弗龙少将最先看到一架飞机俯冲投弹，起先他还以为是飞行员误触投弹按纽的意外事故，再仔细一看，飞机上鲜红的旭日机徽赫然在目，于是意识到是日军空袭，立即下令港内军舰出港规避。几乎同时，罗根。雷姆赛中校快步奔进福特岛指挥部，命令控制塔拉响空袭警报，并用口语广播宣布：“珍珠港遭到空袭！这不是演习！”随后，美国太平洋舰队司令金梅尔上将命令将这个惊人的消息用无线电通知太平洋舰队的所有部队。
与此同时，美军的零星反击也开始了，一些美舰上的高炮开火了。岛上陆军的３３个高炮连仅有４个连开火，大多数高炮连的炮弹还在弹药库，根本来不及投入作战。整个珍珠港美军几乎没有有组织的抵抗。
八时零五分，渊田率水平轰炸机经瓦胡岛西侧，从南面进入轰炸航线。五机一组，编成单机间距２００米的纵队队形，在３０００米高度，向福特岛东侧的战列舰和高炮火力比较集中的伊瓦机场进行轰炸。担任掩护的战斗机见没有美机升空，便分为６个编队对６处机场进行了扫射。
八时十分，（华盛顿时间下午一时四十分），比日本外交部预定的递交最后通牒的时间晚了四十分钟，此时珍珠港的战斗已经打响二十分钟了。美国国务卿赫尔在接见日本代表前已经知道珍珠港遭到了偷袭，但是罗斯福总统要求他只要收下日方的答复，冷淡地把日方代表送走。于是赫尔装作认真地阅读了日方的答复，然后用难以掩饰的愤怒说：“这是我任职五十年来，从未见过如此卑鄙的政府和如此虚伪歪曲的文件！”正是由于在递交正式宣战的文件之前，日本就发动了进攻，激起了美国举国上下无比的愤慨。山本在接到胜利的电文后，丝毫没有大胜的喜悦，对前来祝贺的部属只是淡淡地说：“我们只不过唤醒了一个沉睡的巨人。”
美军第五十七驱逐机中队的五位飞行员，见所在的惠勒机场已遭严重破坏无法起飞飞机，便立即搭乘两辆汽车冒着日机的炮火一路飞奔到偏僻的哈罗瓦机场，日军显然没有注意到这个小机场上竟有５架Ｐ－４０和１架Ｐ－３６，八时十五分，肯尼斯。泰勒少尉、乔治。威尔少尉、哈利。布郎少尉、罗伯特。罗杰斯少尉和约翰。戴恩斯少尉驾驶５架Ｐ－４０战斗机起飞，这是美军第一批升空迎战的飞机，在巴伯斯角上空与日军十二架飞机展开激战，共击落三架日机。空战中威尔少尉座机的三挺机枪中有一挺因连续发射过热卡了膛，泰勒的胳臂和大腿都受了伤。他们刚刚降落，威尔的机枪还未冷却，泰勒也还没接受急救，第二批十五架日机又呼啸而至，两人又立即起飞迎敌。日机在泰勒飞机后方抢占了有利位置，正准备攻击，威尔见情况紧急迅速急转对准泰勒最具威胁的那架日机，连连开火，日机中弹起火坠毁，泰勒因此得救，威尔随即转向海上追击另一架日机，就在海岸外八千米处追上它，一阵急促而准确的射击将其击落。这批美机在空中奋力迎战，总共击落了７架日机，其中泰勒少尉、威尔少尉分别击落２架和４架，因此双双荣获优异服役十字勋章，尤其是威尔少尉取得了偷袭珍珠港中最高战绩，成为珍珠港第一英雄。美军后来又陆续从各机场起飞了２５架飞机，但是由于仓促应战，准备不足，协同不好，有的被日机击落，有的被己方高炮击落，没能有效阻止日军的攻击。
八时二十五分，日军第一波飞机开始返航。渊田则继续留在珍珠港的上空，观察战果并指挥第二波飞机的攻击。在第一波攻击中，日军损失了９架飞机，其中鱼雷机５架，战斗机３架，轰炸机１架。日军第一波的攻击目标主要是美军的战列舰。“亚利桑那”号被击中二条鱼雷，后来又被四枚８００千克重磅炸弹命中，更致命的是其中一枚炸弹穿透前甲板，在弹药舱爆炸，引发了惊天动地的大爆炸，致使该舰在几分钟里沉没，全舰１０００余名官兵无一生还。“西弗吉尼亚”号左舷被击中六条鱼雷，尽管损管人员奋力抢救，仍无法控制住左倾，最终倾覆沉没。“西弗吉尼亚”号上的重量级拳击冠军二等炊事兵陶乐斯。米勒积极救助伤员，后又操作高射机枪猛烈射击日机，正因为他的英勇表现使他成为美国海军第一位荣获优异服役十字勋章的黑人士兵，并由继任太平洋舰队总司令的尼米兹上将亲自授勋。“加利福尼亚”号被三条鱼雷分别击中舰桥下方、３号炮塔下方和左舷中部，并有一枚８００千克炸弹穿透甲板在舱内爆炸，使得舰首上翘，沉入海底。“俄克拉荷马”号接连被三条鱼雷击中左舷，由于该舰水密性较差，爆炸又震开许多水密门，海水汹涌而入，加上舰长不在舰上，无人指挥，所以很快沉没。“田纳西”号虽然只被击中三枚炸弹，但受到外侧“西弗吉尼亚”号沉没时的挤压，又被后面相距仅２３米的“亚利桑那”号爆炸的火焰波及，引起上层建筑多处起火，导致重创。“马里兰”号被二枚８００千克炸弹命中，是所有战列舰中受伤最轻的，也最早修复。“内华达”号被一条鱼雷击中左舷，幸好不是关键部位，而紧邻的“亚利桑那”号上的熊熊大火，对“内华达”号威胁甚至更甚于日机，于是实际指挥的弗郎西斯。汤姆斯海军少校决定起锚出港规避，水手长埃德温。希尔勇敢跳入水中游上码头，解开缆绳，使“内华达”号能迅速起航。“内华达”号的突围也就成为第一波空袭中最惊心动魄的战斗，当“内华达”号在没有任何拖船协助下，倒退着离开锚地，成功驶入出港航道，四周军舰爆炸起火，灼热异常，“内华达”号上的炮手不得不抱住炮弹以免其受热爆炸。“内华达”号带着浓烟驶向造船厂前的航道最狭窄处，日军牧野三郎大尉指挥的俯冲轰炸机发现了这一情况，牧野决定利用这一机会实施集中攻击，将其击沉在航道上以彻底封闭珍珠港，为分散美军防空火力，日机从东南、西南两方向同时投入攻击，“内华达”号连中六枚炸弹，伤势严重，汤姆斯见已无突围可能惟恐军舰在航道上沉没而堵塞航道，立即在福特岛西南浅滩抢滩搁浅。
八时四十分，日军第二攻击波飞临瓦胡岛，共有１７１架，其中８１架九九式俯冲轰炸机，５４架九七式水平轰炸机，３６架零式战斗机。九九式各携一枚２５０千克爆破弹，九七式各携２枚２５０千克穿甲弹或是１枚２５０千克加６枚６０千克炸弹。空中总指挥兼水平轰炸机领队长机是“瑞鹤”号飞行长岛崎和重少佐，俯冲轰炸机领队是“苍龙”号飞行长江草隆繁少佐，战斗机领队是进藤三郎大尉，这一批飞机是七时十五分从航空母舰上起飞的，经过一小时二十五分钟的飞行赶来的。
八时五十五分，开始第二波攻击。日军战斗机首先对空中的零星美机进行攻击，以确保掌握制空权。美军汉斯。克利斯汀少尉、乔治。怀特曼少尉和萨缪尔。比谢普少尉跳上３架Ｐ－４０战斗机从瓦胡岛东部的贝洛机场强行起飞，结果汉斯。克利斯汀少尉刚爬入机舱还未开始滑行，就被日机击中，机毁人亡。其余两人尽管起飞升空，很快也被日机击落。第四十六驱逐机中队六位飞行员在路易斯。桑德斯中尉的率领下驾驶Ｐ－３６战斗机起飞，他们对正在轰炸一处机场的六架日机发起攻击，日机见有美机迎战便仓卒逃走，美机猛扑过去，桑德斯对领队日机开火，日机立刻冒着浓烟，摇摇晃晃地坠海。戈登。斯特林少尉紧盯住一架敌机，另一架日机则在他尾后向他开火，斯特林座机中弹起火但仍继续射击前面的日机，两架飞机一齐坠落。混战中美机共击落两架日机，菲利普。拉斯姆森少尉福星高照，驾驶着被打出５４４个弹孔的座机安全落地！这些英勇升空迎战的飞行员后来都获得了银星勋章和紫心勋章。日机在肃清了空中的美机后便转入对地面目标的扫射，水平轰炸机攻击了卡纽黑、希凯姆和福特岛三处机场。俯冲轰炸机则对有弹幕射出的军舰进行俯冲轰炸，这样就能避免重复攻击已受重创的美舰。“内华达”号战列舰正由拖船拖往韦波角，成为日机集中攻击的目标，舰上的消防管被炸断，只好由拖船用水泵全力协助该舰灭火。当日机见锚地里停泊的军舰都已沉没或起火，便转而攻击在船坞里的舰船。“宾夕法尼亚”号战列舰正在船坞里大修没被第一波的鱼雷机发现，所以没有受到攻击。但被第二波的日机投下的一枚炸弹命中，炸坏了小艇甲板。“肖”号驱逐舰被炸飞了舰首，起火的燃油随海水四下蔓延，引爆了在船坞里的另二艘军舰。在北部港湾里停泊的辅助船只也被第二波的日机炸沉炸伤多艘。
空袭开始不久，夏威夷医药协会总会便接到救护伤员的紧急电话，二十分钟里，医生和志愿者就已经把担架和医疗器械装上汽车，直奔现场。汽车大队的妇女驾驶着每辆可用的汽车，搭载兵员驰往珍珠港。公路上的情况已是一片混乱，军方车辆、消防车、救护车和几百辆运送官兵奔赴作战岗位的计程车，塞满了十千米长的公路上，喇叭声响彻云霄。汽车大队的女驾驶员表现尤其出色，真可谓巾帼不让须眉。受伤的官兵被紧急送往翠普勒陆军医院，院方急召檀香山的医生参加救护，正巧有五十名医生正在听纽约的约翰。穆尔黑德博士讲解战时外科手术，立刻赶往医院，投入救护工作。穆尔黑德博士刚示范过一项新医疗仪器，能很快测出人体内金属。那天早晨，这种仪器表现出巨大价值，节省了许多等待冲洗Ｘ光底片的