Chìa khóa thành công của chiến dịch là các máy bay B-29, với tầm bay lên đến 3.250 hải lý (6.019 km); 90% lượng bom được thả xuống nước Nhật là được thực hiện bởi loại máy bay này. Những đợt không kích ban đầu là do không lực 20 đảm nhiệm, cất cánh từ các sân bay ở Trung Quốc trong Chiến dịch Matterhorn dưới quyền của đơn vị chỉ huy và điều phối ném bom XX Bomber Command. Tiếp sau đó, những chiếc B-29 cũng hoạt động dưới quyền XXI Bomber Command từ căn cứ ở quần đảo Bắc Mariana tháng 11 năm 1944. Sau chiến dịch Matterhoren các máy bay B-29 của đơn vị XX Bomber Command chuyển sang hoạt động trong đơn vị XXI Bomber Command ở căn cứ không quân Guam mùa Xuân 1945.

Trong phi vụ đầu tiên của chiến dịch, 174 máy bay B-29 sử dụng chiến thuật bay tầm thấp và mang theo bom cháy thả xuống Tokyo vào đêm ngày 24–25 tháng 01 năm 1945 gây phá hủy một vùng rộng 3 km2.

Nhằm mục đích tăng bán kính phá hủy cũng như thiệt hại cho người Nhật, Không quân Hoa Kỳ đã thay đổi chiến lược ném bom. Trong đợt tiếp theo, đã có 335 máy bay B-29 cất cánh[1] vào đêm ngày 9–10 tháng 03 năm 1945, 279 máy bay trong số đó[1] đã thả xuống Tokyo khoảng 1.700 tấn bom, với tổn thất là 14 chiếc B-29.[1] Xấp xỉ một diện tích rộng 16 dặm vuông (41 km²) bị tàn phá và khoảng 100.000 người được ước tính đã chết ngay lập tức trong biển lửa, hơn cả con số thương vong do bom Hạt nhân gây ra ở Hiroshima hay Nagasaki.[2][3] Theo Cơ quan Khảo sát Ném bom Chiến lược Hoa Kỳ đã ước tính, con số bao gồm 88.000 người chết trong đợt này, 41.000 người bị thương, và hơn một triệu cư dân mất nhà cửa. Về phía Sở cứu hỏa Tokyo ước tính con số thiệt hại cao hơn: 97.000 người chết và 125.000 bị thương. Còn theo ước tính của Sở cảnh sát Thủ đô Tokyo thì 124.711 người thương vong bao gồm chết và bị thương và tổng cộng 286.358 tòa nhà bị phá hủy. Tuy nhiên nhà sử học Richard Rhodes cho rằng số người tử vong vượt quá con số 100.000, và số người bị thương trong khoảng một triệu cùng với số nhà bị phá hủy cũng là một triệu. Những ước tính về thiệt hại đã bị hạ thấp hơn thực tế, nhà báo Mark Selden đã viết trên tờ Japan Focus như sau:

Con số xấp xỉ 100.000 người chết, được đưa ra đồng thời bởi các cơ quan chính quyền Nhật Bản và Hoa Kỳ, cả hai phía trong cuộc chiến đều có những lý do riêng để hạ thấp con số thương vong, đối với tôi dường như con số thực tế đã bị hạ thấp nếu so với mật độ dân số cao của thành phố, điều kiện gió lúc diễn ra chiến dịch cũng như các ghi nhận của những người sống sót. Với mật độ trung bình của Tokyo là 103.000 người một dặm vuông và đạt mức cao nhất là 135.000 người, mật độ dân số cao nhất trên bất cứ thành phố công nghiệp nào khắp thế giới, con số ước tính diện tích tàn phá là 15 dặm vuông (41 km2) Thành phố Tokyo là quá ư là phi lý khi mà những cơn gió dữ dội đã khiến ngọn lửa lan nhanh và hàng ngàn người bị mắt kẹt trong bức tường lửa khi trận ném bom xảy khiến cho họ không thể thoát khỏi đám cháy. Ước tính có đến 1,5 triệu người nằm trong vùng bị bao phủ bởi đám cháy[4]

Nơi bị tàn phá nặng nề nhất trong chiến dịch là khu vực nằm về phía Đông của Hoàng cung Tokyo.

Đến cuối cuộc chiến tranh, hơn 50% diện tích Tokyo đã bị phá hủy.