1944年6月15日，47架美軍B-29型超級空中堡壘式轟炸機從中國成都起飛，前往日本九州島轟炸位于該地區的亞洲最大鋼鐵企業——八幡鋼鐵廠。但因飛行距離太遠，須減少載彈量以運載燃油，此次轟炸日本本土并沒有造成太大破壞。然而，47架美軍B-29型轟炸機首次集群轟炸日本九州島，卻拉開了二戰后期美軍對日本本土實施戰略轟炸的序幕。

早在1941年12月日本偷襲珍珠港事件發生后，美國曾派出16架B-25型轟炸機襲擊日本的東京、橫濱、名古屋和神戶等地的油庫、工廠和軍事設施等，但據說這些空襲的規模較小，屬于象征性的報復轟炸。其主要原因為B-29超級空中堡壘式轟炸機當時處在研發試制階段，美軍尚未攻占馬里亞納群島、硫磺島等軍事基地，如果從中國機場起飛轟炸機，距離太遠補給也會有問題，因而當時美軍才對日本本土發動了極為有限的空襲。

1944年10月，美國海軍上將尼米茲采用跳島戰術攻占了馬里亞納群島后，美軍第七十三轟炸機聯隊進駐馬里亞納群島的塞班島，美國第20航空軍被編配到第21轟炸司令部，并開始謀劃籌備使用當時最先進的B-29型超級空中堡壘式轟炸機對日本本州島的大規模戰略轟炸。

據史料記載，美軍B-29型超級空中堡壘式轟炸機，為美國波音公司研發設計制造的四引擎重型螺旋槳轟炸機，飛行時速達563公里 /小時，飛行高度超過1萬米，續航里程為6430公里，空中打擊距離達到2400公里，并能攜帶9000公斤重磅炸彈。據說，二戰時軸心國的戰斗機、轟炸機很少能達到此高度，即使達到也追不上B-29型轟炸機的速度。當美國制造的B-29超級空中堡壘式轟炸機投入使用后，美軍便有能力對日本本土作出有實質作用的戰略轟炸了。

1944年11月24日，美軍派出88架B-29型超級空中堡壘式轟炸機空襲日本首都東京，計劃進行一次白天的精準轟炸。據美軍參戰人員回憶錄稱，當時飛臨日本首都東京上空的B-29型轟炸機在1萬米高空進行投彈，結果只有約30架飛機找到了轟炸目標，約10%命中預定目標，只有一個日本飛機制造廠受了輕傷。

美軍在歐洲慣用的日間精確轟炸戰術因日本的特殊天氣因素受阻后，經過多次反復研究， 最終決定利用夜間在1500至2000米的高度對日本各大城市進行地毯式燃燒彈轟炸。據美軍參戰人員回憶錄稱，美軍之所以這樣做，主要原因是日本工業與德國完全不同，當時的日本主要采取由散布在居民區的小作坊生產零部件和預制件，然后再送到大工廠進行集中組裝。日間高空精確轟炸根本無法摧毀那些星羅棋布的小作坊，也就無法有效地打擊日本軍事工業。

1945年1月，柯蒂斯·李梅(Curtis LeMay)少將被任命為美國第21轟炸機部隊司令，2月19日，美國第20航空軍的指揮部發出了將“試驗性”燃燒彈空襲提到了優先位置的新命令。于是，在1945年2月23日至24日，美軍首次對東京采取了大規模燃燒彈攻勢，當晚174架B-29轟炸機在東京拋下大量凝固汽油彈，把東京約2.56平方公里的地方徹底焚毀。此舉的成功，更加堅定了柯蒂斯·李梅繼續實施夜間大規模火攻日本本土的決心。

據相關史料記載，柯蒂斯·李梅少將在堅定繼續實施夜間大規模火攻日本決心的同時，毅然決定在下次實施夜間轟炸任務中，拆除B-29型轟炸機上所有的槍炮炮塔以及彈藥，減輕 B-29 的機身重量，便于攜帶更多的燃燒彈，以此徹底破壞散布在居民區中的武器彈藥生產零部件和預制件的小作坊，達到徹底摧毀日本軍事工業的目的。

1945年3月9日至10日，美軍派出334架B-29型轟炸機從馬利亞納群島出發，再次使用凝固汽油彈對東京進行持續2小時的轟炸，每架飛機攜帶6至8噸燃燒彈，燃燒面積可達7000平方米。

據當年美軍參戰人員回憶錄稱，當日24時15分，兩架導航機飛抵日本東京上空，在預定目標區下町地區投下照明彈后，接著投下燃燒彈，為后續飛來的B-29型轟炸機指示目標。隨后，大批轟炸機接著以單機間隔依次投擲燃燒彈，火勢迅速在預定目標蔓延開來。當晚日本東京出現了火災旋風，有334架B-29型轟炸機共計投下了超過2000噸燃燒彈，產生的高溫足以使該區域內所有可燃物燃燒，直接造成近4萬人死亡，近41平方千米的地方被焚毀，東京約有四分之一被夷為平地，其中18%是工業區，63%是商業區，其余為住宅區。計劃中的22個工業目標全部摧毀，26.7萬多幢建筑付之一炬，上百萬人無家可歸，8萬多人被燒死，10萬被燒傷或嗆傷。

此次戰略大轟炸可以說是人類歷史上最具破壞性的非核武空襲，比二戰中任何一次軍事行動所造成的傷亡都多，破壞力可以與后來的原子彈爆炸相比。據說，大火之后日本當局曾花了25天時間才將燒焦的尸體清運完畢。

在美軍B-29型轟炸機集群火攻東京后不到30小時，317架B-29轟炸機又夜襲名古屋，使該市的飛機制造廠化成一團火焰。3月13日，日本第二大城市大阪也遭到了300架B-29的集中轟炸，投下了1700噸燃燒彈，約20.7平方千米的市區建筑在3小時內焚毀。3月16日，美軍又轟炸神戶，使其造船中心被摧毀。

在隨后的四、五、六月份，美軍飛機又大舉空襲日本各大中小城市。4月13日，日本皇宮及宮殿一部分被焚燒，明治神宮焚毀。7月4日，美軍宣布當時日本已遭受10萬噸炸彈的轟炸。

柯蒂斯·李梅派將軍還派出飛機在日本各地投下警告傳單，通知下一步的轟炸目標，使日本民眾更加驚慌和恐懼。僅東京就有上百萬人逃亡農村，工廠工人的出勤率不到從前的一半。轟炸東京及其它城市使日本戰時經濟迅速陷入癱瘓。

另據資料統計，1944年11月至1945年8月，美國空軍對日本98座城市實行戰略轟炸，共出動B一29轟炸機3.3萬架次，投彈16萬噸，炸死23萬人，炸傷35萬人，全日本24%的房屋變成廢墟，1600架飛機被摧毀，1650艘船艦被擊沉擊傷。東京是受常規炸彈破壞最嚴重的城市，也是世界上受常規轟炸死亡最多的城市。僅1945年的三次轟炸就死亡14萬人，焚毀全城50%以上的房屋，使l00多萬人無家可歸。

二戰后期，美國對日本本土的戰略大轟炸也曾一度引發國際輿論對使用燃燒彈等武器的道德討論。策劃對日本進行戰略大轟炸行動的柯蒂斯·李梅將軍后來也指出如果美國戰敗，他本人肯定會被控犯下戰爭罪行，但他同時也認為此次轟炸確實提早了戰爭的結束，從此減低了人命傷亡。據日本官員稱， 美軍燃燒彈空襲使日本軍事工業“生產嚴重受損”。日本前首相近衛文麿也曾認為，東京大轟炸使日本開始考慮停戰。