Cuộc không kích được khởi đầu từ một mong muốn của Tổng thống Franklin D. Roosevelt, bày tỏ cùng Hội đồng Tham mưu Liên quân trong một buổi họp tại Nhà Trắng vào ngày 21 tháng 12 năm 1941, rằng Nhật Bản cần phải bị ném bom càng sớm càng tốt để nâng cao tinh thần của công chúng sau thảm họa tại Trân Châu Cảng.[4]

Ý tưởng thực hiện cuộc không kích đến từ Đại tá Hải quân Francis Low, Trợ lý Tham mưu trưởng về Chiến tranh Chống tàu ngầm. Ông đã báo cáo lên Đô đốc Ernest J. King vào ngày 10 tháng 1 năm 1942, những suy nghĩ của mình là những chiếc máy bay ném bom hai động cơ của Lục quân có thể phóng thành công từ một tàu sân bay sau nhiều quan sát tại một sân bay hải quân ở Norfolk, Virginia, nơi đường băng được kẻ những vạch sơn giới hạn mô phỏng sàn đáp của một tàu sân bay dùng trong thực tập hạ cánh.[5] Sau đó nó được vạch kế hoạch và lãnh đạo bởi Doolittle, một nhà hàng không dân sự và là kỹ sư hàng không nổi tiếng trước chiến tranh.

Những yêu cầu về một chiếc máy bay có tầm bay xa 3.900 km (2.400 dặm) cùng một tải trọng bom 900 kg (2.000 pound) đã đưa đến việc chọn lựa kiểu máy bay North American B-25B Mitchell để thực hiện nhiệm vụ này. Các kiểu máy bay ném bom tầm trung B-26 Marauder, B-18 Bolo và B-23 Dragon cũng đã được xem xét đến,[6] nhưng chiếc B-26 mắc phải những đặc tính cất cánh đáng nghi ngờ, còn sải cánh của B-23 lớn gần gấp rưỡi so với B-25, làm giảm bớt số lượng máy bay có thể mang theo trên một tàu sân bay cũng như bộc lộ những nguy cơ cho đảo cấu trúc thượng tầng chỉ huy của con tàu. Kiểu B-18, một trong hai kiểu cuối cùng được Doolittle xem xét, cũng bị loại bỏ cùng lý do đó.[7]

Cho đến lúc đó, chiếc B-25 chưa từng được thử nghiệm trong chiến đấu,[8] nhưng các thử nghiệm sau đó cùng với B-25 cho thấy chúng có thể đáp ứng những yêu cầu của nhiệm vụ. Báo cáo đầu tiên về kế hoạch của Doolittle đề nghị rằng những chiếc máy bay ném bom có thể hạ cánh xuống Vladivostok, và rút ngắn được quãng đường bay đến 960 km (600 dặm), trên cơ sở sẽ chuyển những chiếc B-25 cho Liên Xô theo Chương trình Cho thuê-Cho mượn.[9] Tuy nhiên, các cuộc thương lượng với Liên Xô, lúc đó còn chưa ở trong tình trạng chiến tranh với Nhật Bản, không mang lại kết quả.[10]