So sánh với hậu quả khủng khiếp của các cuộc ném bom do những chiếc B-29 Superfortress gây ra sau này, cuộc không kích Doolittle chỉ gây ra ít thiệt hại vật chất, và tất cả chúng đều được sửa chữa nhanh chóng. Tám mục tiêu chính và năm mục tiêu phụ đã bị đánh trúng. Tại Tokyo, các mục tiêu bao gồm một kho dầu, một nhà máy thép và nhiều nhà máy phát điện. Tại Yokosuka, ít nhất một quả bom từ chiếc B-25 do Trung úy Edgar E. McElroy điều khiển đã đánh trúng chiếc tàu sân bay Nhật sắp hoàn thành Ryūhō,[22] làm trì hoãn việc hạ thủy nó cho đến tháng 11. Sáu trường học và một bệnh viện quân đội bị vô ý đánh trúng. Người Nhật cho rằng hai chiếc máy bay mà đội bay bị bắt đã tấn công các mục tiêu đó.[32]

Cho dù những thiệt hại gây ra chỉ là tối thiểu, tinh thần của người dân Mỹ bay vọt khi tin tức về cuộc không kích được công bố. Đang phải chịu đựng nỗi đau sau cuộc tấn công Trân Châu Cảng cùng việc Nhật Bản xâm chiếm các vùng lãnh thổ, cuộc không kích này có vai trò quan trọng đối với công chúng Mỹ để họ biết rằng một đòn giáng trả quân sự đã được tiến hành thành công.[33]

Cuộc không kích cũng mang đến một hậu quả chiến lược, cho dù không được biết đến ngay vào lúc đó: Nó đã khiến Bộ chỉ huy Tối cao Nhật ra lệnh triệu hồi một số đơn vị chiến đấu của Hải quân Nhật về bảo vệ chính quốc Nhật Bản. Lực lượng đặc nhiệm tàu sân bay chủ lực, với năm tàu sân bay nhanh hạm đội cùng những máy bay hải quân tốt nhất và những đội bay giỏi nhất, dưới quyền chỉ huy của Đô đốc Chuichi Nagumo, đã gây ra những tổn thất to lớn cho Hải quân Hoàng gia Anh và tàu buôn thương mại trong cuộc không kích Ấn Độ Dương, tiến xa về phía Tây đến tận Ceylon để không kích các tàu bè Anh Quốc cùng các sân bay của Không quân Hoàng gia Anh tại đây. Sau cuộc Không kích Doolittle, lực lượng của Nagumo nhận được lệnh quay trở về Nhật Bản, giải tỏa mọi áp lực đang đè nặng Hải quân Hoàng gia tại Ấn Độ Dương.

Hải quân Đế quốc Nhật Bản cũng đã phải chịu một trách nhiệm đặc biệt vì đã để cho một lực lượng tàu sân bay Mỹ tiếp cận các đảo chính quốc Nhật Bản theo một cách gần giống như Hạm đội Nhật đã làm tại Hawaii vào tháng 12 năm 1941, và cũng thoát được tương tự mà không bị thiệt hại.[34] Một thực tế là việc sử dụng những chiếc máy bay ném bom hai động cơ tương đối lớn đặt căn cứ trên đất liền thực hiện việc không kích đã gây ra sự lẫn lộn nơi giới chỉ huy cao cấp của Hải quân Nhật về nguồn gốc của cuộc không kích. Sự lẫn lộn này cùng với kết luận rằng Nhật Bản tỏ ra mong manh đối với nguy cơ không kích đã củng cố cho quyết tâm của Đô đốc Yamamoto muốn chiếm lấy đảo Midway, mà việc tiến hành chúng đã đưa đến thất bại quyết định của Hải quân Nhật trong trận Midway.[35][36]

"Kế hoạch hy vọng sẽ gây được tổn hại cả về mặt vật chất lẫn khía cạnh tâm lý. Hư hại vật chất sẽ phá hủy được những mục tiêu cụ thể gây ra sự xáo trộn và làm chậm trễ việc sản xuất. Các hậu quả tâm lý được hy vọng sẽ triệu hồi các phương tiện chiến đấu tại các chiến trường khác về phòng thủ quê nhà, và do đó làm giảm nhẹ áp lực trên các mặt trận đó, tạo một cảm giác lo sợ phức tạp tại Nhật Bản, cải thiện mối quan hệ với các Đồng Minh, và một phản ứng thuận lợi của người dân Mỹ." — Tướng James H. Doolittle, 9 tháng 7 năm 1942[10][37]