1941年12月7日，突击编队进至中途岛以东600海里，呈防空队形，6艘航母编成两路纵队，2艘战列舰和2艘重巡洋舰位于航母纵队四角，9艘驱逐舰在最外围。南云下令舰队直扑珍珠港。
当天凌晨6时10分，南云中将得到攻击的命令后下令第一波攻击机群起飞。渊田美津雄亲自带队，在一片欢呼声中，他径直走向飞机，这时候一位地勤人员递给渊田一条白头巾说：“这是地勤人员的一点儿心意，表示我们跟你们一同飞往珍珠港，请务必收下。”渊田点点头，把头巾紧紧地扎在自己的飞行帽上，带领着第一波攻击机群出发了。
其实，第一波攻击机群出发不到1小时就被美军发现了。瓦胡岛北端有个美军的雷达站，两名美军新兵没关雷达，还在那儿练习。突然，他们发现雷达屏上出现了一堆闪闪发光的斑点。他们将这一发现报告了泰勒中尉，结果这位长官端着咖啡过来，漫不经心地看了一眼说：“好了，别管它了吧。”然后确实没人管了。
日军为偷袭准备了两套方案，如果偷袭时判定美军毫无准备，渊田美津雄就打一颗信号弹，让轰炸机群照计划采用偷袭；如果发现美军有准备就打两颗，意即发起强攻。但是，当时云层很厚，渊田在发出一颗信号弹后，以为轰炸机群没看见，就又打了一颗信号弹，结果日军战机立即由偷袭改为强攻。
南云中将得令后，下令攻击机群直扑珍珠港。
那是礼拜天早上，珍珠港内的很多水手起床、洗漱、升旗、奏乐，开始享受愉快的周末。凌晨7时53分，当渊田率领的机群到达珍珠港上空时，美军毫无防备。渊田知道偷袭必定成功，就急不可耐地发出胜利密码：托拉！托拉！托拉！（虎！虎！虎！）
接着，渊田率领183架飞机开始第一波攻击，这些轰炸机穿破云雾，突然俯冲下来，紧贴海面飞行，扑向珍珠港，有的已出现在机场上空。看到这一场景的美军水兵还以为是美国机群在演习，由衷地赞叹飞行员们技术高超，甚至还有人喊：\"Hello,Good morning……\"为什么会这样？因为当时美国飞机的识别标志，是一个大白五星，中间一个红圆圈，所以很多水兵误以为日机是本国飞机。打这之后，美国战机的标志改成白五星外面蓝圆圈加蓝白杠，就为了跟日本飞机区别开。
就在美国水兵还在观望的时刻，冰雹似的炸弹倾泻而下，第一批目标是机场，珍珠港四周的机场全被击中。为了准确攻击，有的轰炸机距地面只有几百米时才开始投弹。机场上空有如晴天霹雳，炸弹如雨。一架接一架的重型轰炸机被炸得四分五裂，七零八落。美军地勤人员和飞行员临时抓起机枪进行抵抗，但是根本无济于事。
炸弹的爆炸声把早晨的和平气氛撕得粉碎，日本鱼雷机队开始攻击，刹那间，珍珠港内的军舰笼罩在一片浓烟火海之中。爆炸声此起彼伏，熊熊大火映红了整个海港，港内升起一道道冲天水柱，美军战列舰全部起火。
“迟到”的宣战书
差不多就在日机偷袭珍珠港时，日本使馆的野村和来栖给美国国务卿送最后通牒，因为使馆人员未能及时解码和打印这篇国书，以至这个电报送到国务卿赫尔手中的时候，比预定时间晚了40分钟，因此日方宣战书是在袭击发生后才交到美国。这个“疏忽”很可能是因为电报事关绝密，不能让译电员翻译，必须由使馆的高阶外交官亲自动手译写，而他们的业务又不熟练。
这件事最重要的影响就是增加了美国人的愤怒，赫尔国务卿说：“我任职50年来，从未见过如此卑鄙的政府和如此虚伪、歪曲事实的文件。”野村和来栖无言以对，刚想张嘴辩白两句，赫尔就厌恶地朝门口挥了挥手，两人尴尬地一鞠躬，退了出去。据说来栖回去后就向人要武士刀，准备剖腹自尽。看来，这两人也知道自己的政府这次太不地道。
偷袭之后，第一波飞机已经返航。渊田留在珍珠港上空观察战果。“亚利桑那”号先是被2枚鱼雷击中，后来又被4枚重磅炸弹命中，最糟糕的是，一枚炸弹穿过甲板，在弹药舱爆炸，全舰1000余名官兵无一生还。“西弗吉尼亚”号被6枚鱼雷击中，舰上重量级拳击手炊事兵陶乐斯·米勒积极救助伤员，后又操作高射机枪猛烈扫射日机。这一幕在2001年的美国电影《珍珠港》里有表现。米勒因为英勇，成为美国海军第一位荣获优异服役十字勋章的黑人士兵。后来，米勒在美军潜艇上服役时牺牲了。
不久，日军出动168架飞机，发起第二波攻击。这次，有数架美军战机起飞迎战，击落了一些日机，但美军损失惨重。港内8艘战列舰中，4艘被击沉，1艘搁浅，其余都受重创；6艘巡洋舰和3艘驱逐舰被击伤。
原计划还有第三波攻击，但南云忠一认为，此时偷袭的时机已过，便放弃了第三波攻击，将主力撤回。山本五十六由此评价南云是个庸才，说他在指挥时就像小贼入室行窃，开始时志在必得，胆大包天，稍一得手便心虚胆怯，急于溜走。这番评价可谓深刻。
偷袭珍珠港，日军仅以29架飞机的代价重创了美军12艘主力战舰和其他舰船。美军共有188架飞机被摧毁，155架飞机被破坏，2403名美国军人丧生。
偷袭珍珠港成功后，山本旗舰上一片欢呼！有参谋拿酒来庆祝，山本拒绝饮酒，并忧心忡忡地说日本激怒了一个沉睡的巨人，而这个巨人一旦苏醒，日本可就应付不了了。美国太平洋舰队虽然遭到重创，但航空母舰和新式战列舰都不在港内，一艘未沉，巧的是航母在日军发起攻击前几天才离港的。日本的间谍以侨民做掩护，在珍珠港内潜伏了很长时间，一直报信说有航母在港内。
美军航母突然离港，让日本间谍措手不及，来不及通风报信。正因为如此，战后一直有人认为，日军偷袭珍珠港，美国事先是知道的。不光是美国人，连日本人都有这么看的。美国一直想参加反法西斯同盟，但国内孤立主义思潮甚嚣尘上，反对参战，罗斯福总统也无可奈何。这下好了，被小日本打了，美国可以名正言顺参战了。日本之于美国，就是个小孩，美国在自家被一个小孩给揍了一顿，要是不报一箭之仇，以后还怎么出去混啊？
偷袭成功后，东京广播电台正式发布了天皇的“宣战大诏”。其中有这么一句：朕兹对美国及英国宣战，帝国今为自存自卫，已决然奋起，必当摧毁一切障碍！这口气真是够大的，把它拿来跟《终战诏书》对比非常有意思。接着，美国对日宣战，英国对日宣战，已坚持战斗10年的中国正式对日宣战！12月11日，德国对美宣战。这样，美国彻底卷入了二战，二战也进入了新阶段。
在珍珠港遭袭击的那天，全世界有两个人最高兴，一个是蒋介石，一个是丘吉尔。一战之后，日美两国一直在中国竞争主导权，日本最不愿看到的就是中美联手，这下自己帮他们做到了。丘吉尔呢，那天晚上，他说了一句：“我们总算赢了。”然后安然入睡。