Máy bay chiến đấu USAF F-16A, F-15C, F-15E bay trên các giếng dầu đang cháy (do các lực lượng Iraq đốt) trong chiến dịch Bão táp sa mạc

Một ngày sau thời hạn chót do Nghị quyết của Liên Hiệp Quốc đặt ra, liên minh tung ra một cuộc tấn công không quân ồ ạt với mật danh "Chiến dịch bão táp sa mạc" với hơn 1.000 lần xuất kích một ngày, bắt đầu từ sáng sớm ngày 17 tháng 1 năm 1991. Năm tiếng đồng hồ sau những cuộc tấn công đầu tiên, đài phát thanh quốc gia Bagdad phát đi một giọng nói được xác định là của Saddam Hussein tuyên bố rằng "Cuộc chiến vĩ đại, cuộc chiến của mọi cuộc chiến đã bắt đầu. Bình minh thắng lợi đã rất gần khi cuộc thử thách cuối cùng đã đến."

Những vũ khí được sử dụng trong chiến dịch này gồm các vũ khí dẫn đường chính xác (hay "bom thông minh"), bom bầy, BLU-82 "daisy cutters" và tên lửa hành trình. Iraq trả lời bằng cách phóng 8 tên lửa Scud vào Israel ngày hôm sau. Mục tiêu ưu tiên hàng đầu của liên minh là phá hủy các cơ sở không quân và phòng không của Iraq. Nhiệm vụ này được nhanh chóng hoàn thành và trong suốt thời gian xảy ra cuộc chiến, không quân liên minh hầu như không gặp phải trở ngại nào khi hoạt động. Dù khả năng phòng không của Iraq tốt hơn so với dự đoán, liên minh chỉ thiệt hại một máy bay trong ngày mở màn chiến tranh. Máy bay tàng hình đã được sử dụng nhiều trong giai đoạn đầu tiên này nhằm tránh các hệ thống tên lửa đất đối không SAM dày đặc của Iraq; khi đã phá hủy xong những hệ thống đó, các kiểu máy bay khác có thể được đem ra sử dụng với độ an toàn cao hơn. Đa số các phi vụ tấn công xuất phát từ Ả Rập Xê Út và sáu nhóm tàu sân bay của liên minh ở Vịnh Péc-xích.

Máy bay A-10A Thunderbolt II tấn công mục tiêu mặt đất thuộc Không lực Hoa Kỳ bay trên vùng mục tiêu trong chiến dịch Bão táp sa mạc

Các mục tiêu tiếp theo của liên quân là các sở chỉ huy và thông tin. Những nhà lập kế hoạch bên phía liên quân hy vọng sự kháng cự của Iraq sẽ nhanh chóng sụp đổ nếu hệ thống chỉ huy và liên lạc của họ bị phá hủy. Trong tuần đầu tiên của chiến dịch không quân Iraq ít khi xuất kích và cũng không gây thiệt hại gì đáng kể, 38 máy bay MiG của Iraq đã bị không quân liên quân bắn hạ. Ngay sau đó, không quân Iraq bắt đầu chạy trốn sang Iran, với khoảng 115 tới 140 chiếc. Cuộc bỏ chạy ồ ạt của không quân Iraq sang Iran khiến các lực lượng liên quân rất kinh ngạc và không kịp phản ứng gì trước khi các máy bay Iraq đã "an toàn" tại các sân bay Iran. Iran không bao giờ trả lại các máy bay đó cho Iraq và chỉ cho phép các phi công trở về nước vào năm sau. Ngày 23 tháng 1, Iraq bắt đầu đổ gần 1 triệu tấn dầu thô xuống vịnh, gây ra vụ tràn dầu lớn nhất trong lịch sử.

Giai đoạn thứ ba và là lớn nhất của chiến dịch không quân nhắm tới các mục tiêu quân sự trên khắp Iraq và Kuwait: các bệ phóng tên lửa Scud, các địa điểm vũ khí hủy diệt hàng loạt, những cơ sở nghiên cứu vũ khí và các lực lượng hải quân. Khoảng một phần ba không lực liên quân được dành riêng để tấn công các bệ phóng tên lửa Scud, nằm trên các xe tải và do đó rất khó tìm kiếm để tiêu diệt. Ngoài ra, họ cũng nhắm vào các mục tiêu có thể sử dụng được cho cả mục đích dân sự và quân sự: các nhà máy điện, các lò phản ứng hạt nhân, các thiết bị thông tin liên lạc, các cảng biển, các nhà máy lọc và phân phối xăng dầu, các đường sắt và các cây cầu. Các nhà máy điện trên toàn quốc bị phá hủy. Tới cuối cuộc chiến, việc sản xuất điện chỉ còn đạt mức 4% so với trước chiến tranh. Bom đã phá hủy tất cả các đập chính, đa số những trạm bơm chính và nhiều nhà máy xử lý nước thải. Một số đội thuộc các lực lượng đặc biệt của Mỹ và Anh được đưa thâm nhập vào phía tây Iraq để tìm kiếm và phá hủy các tên lửa Scud. Tuy nhiên, vì thiếu những điều kiện địa lý thích hợp để ẩn náu khiến các hoạt động của họ gặp nhiều khó khăn và nhiều người đã bị giết hoặc bị bắt giữ.

Trực thăng AH-64 Apache của Mỹ tiêu diệt xe tăng địch trong Chiến tranh Vùng VịnhCamera ngắm mục tiêu cho thấy sự tấn công của tên lửa Hoa Kỳ trong chiến dịch Bão táp sa mạc - những hình ảnh như vậy đã trở nên quen thuộc với khán giả các kênh truyền hình phương Tây, và được so sánh với các trò chơi máy tính

Trong đa số các trường hợp, liên quân tránh gây thiệt hại tới những cơ sở dân sự thuần tuý. Tuy nhiên, ngày 13 tháng 2 năm 1991, hai quả bom thông minh điều khiển bằng tia laser đã phá hủy lô cốt Amiriyah mà người Iraq cho là nơi tránh bom của thường dân. Các quan chức Mỹ cho rằng lô cốt đó là một trung tâm thông tin quân đội, nhưng các nhà báo phương tây đã không tìm được bằng chứng về việc đó. Trong một báo cáo với nhan đề "Bộ máy nói dối: Thảm kịch của sự lừa đảo", Nhà Trắng đã tuyên bố rằng các nguồn tin tình báo của họ cho thấy lô cốt này đang được sử dụng cho mục đích chỉ huy quân sự. Trong cuốn sách của mình, Kẻ chế tạo bom của Saddam, cựu giám đốc chương trình vũ khí hạt nhân của Iraq, người đã đào thoát sang phương tây, ủng hộ giả thuyết rằng lô cốt này được sử dụng cho cả hai mục đích.

Chúng tôi đã tìm người trú ẩn nhiều lần tại lô cốt.... Nhưng nó luôn bị bịt kín.... Lô cốt có vô tuyến, vòi nước uống, máy phát điện riêng, và trông đủ vững chắc để chống lại các loại vũ khí thông thường. Nhưng tôi đã thôi tìm cách vào trong, bởi một đêm tôi đã nhận ra vài chiếc limousine đen chạy ra chạy vào qua cánh cổng ngầm ở phía sau. Tôi hỏi những người ở xung quanh và được trả lời rằng đó là một trung tâm chỉ huy. Sau khi xem xét nó kỹ càng hơn, tôi đã cho rằng có thể nó là căn cứ điều hành riêng của Xát-đam.

Iraq đã tung ra các cuộc tấn công tên lửa vào các căn cứ của liên quân tại Ả Rập Xê Út và Israel, với hy vọng buộc Israel tham gia cuộc chiến và các nước Ả Rập khác rút lui khỏi nó. Chiến thuật này tỏ ra không hiệu quả. Israel không tham gia vào liên quân, và tất cả các nước Ả Rập ở lại với liên quân trừ Jordan, về mặt chính thức vẫn giữ thái độ trung lập. Các tên lửa Scud nói chung là gây ra rất ít thiệt hại, dù nó cũng đã một lần chứng minh được sức mạnh vào ngày 25 tháng 2 với 28 người Mỹ đã thiệt mạng khi một tên lửa Scud phá hủy doanh trại của họ tại Dhahran. Những tên lửa Scud nhắm vào Israel không có hiệu quả bởi vì khi tăng tầm bắn, tên lửa Scud bị giảm đi rất nhiều về độ chính xác và khả năng sát thương. Ngày 29 tháng 1, Iraq dùng xe tăng, bộ binh tấn công và chiếm thành phố Khafji của Ả Rập Xê Út lúc ấy dang được bảo vệ bởi một số lính thủy đánh bộ trang bị vũ khí hạng nhẹ. Tuy nhiên, Trận Khafji đã kết thúc khi quân Iraq phải lùi bước trước các lực lượng Ả Rập Xê Út được các lính thủy đánh bộ và không quân Mỹ yểm trợ hai ngày sau đó. Ngay sau khi Iraq xâm chiếm Kuwait, Khafji đã trở thành một thành phố có vị trí chiến lược. Sự chậm chạp của Iraq khi đưa các sư đoàn thiết giáp vào Khafji và sau đó dùng nơi này làm bàn đạp để tiến vào phần phía đông được bảo vệ kém cỏi của Ả Rập Xê Út là một sai lầm lớn về chiến lược. Nếu làm được như vậy, Iraq không chỉ kiểm soát được phần lớn những nguồn cung cấp dầu ở Trung Đông mà sau đó còn đe dọa được lực lượng quân Mỹ triển khai dọc theo các đường chiến tuyến.

Hiệu quả của chiến dịch không quân là đã làm thiệt hại mười phần trăm toàn bộ lực lượng quân sự Iraq được triển khai trên sa mạc. Chiến dịch này cũng ngăn chặn một cách có hiệu quả việc tiếp tế của Iraq cho những đơn vị đồn trú chiến đấu phía trước, và khiến số quân đông đảo (450.000) người không thể tập trung lại được và là nhân tố căn bản dẫn đến thắng lợi.

Chiến dịch không quân có một tác động rõ nét trên các mưu mẹo mà các bên xung đột về sau này sử dụng. Họ không tập trung quân đội để đối mặt với quân Mỹ mà phân tán các sư đoàn ra, ví dụ Các lực lượng Serbia tại Kosovo. Các bên tham chiến cũng giảm bớt khoảng cách tiếp tế hậu cần và diện tích vùng bảo vệ. Điều này đã được thấy trong Chiến tranh Afghanistan khi quân Taliban rút lui khỏi những vùng đất rộng lớn về giữ những cứ điểm mạnh của họ. Điều này giúp tăng cường tập trung quân đội và giảm bớt khoảng cách tiếp tế. Chiến thuật này cũng được sử dụng trong cuộc tấn công của Iraq khi các lực lượng Iraq rút lui khỏi miền bắc Kurdistan thuộc Iraq vào trong các thành phố.