当美国成功制造B-29超级空中堡垒轰炸机后，美军开始有能力对日本进行有实质作用的战略轰炸。B-29轰炸机时速达563千米/小时，飞行高度超过1万米，续航里程为6430千米，打击距离达到2,400千米，并能携带9,000公斤的炸弹。当时轴心国的战斗机很少能达到此高度，即使达到也追不上它们的速度。
等待装弹的 B-29
美军首轮使用B-29进行袭击是在1944年6月15日，68架B-29从中国成都起飞，轰炸位于日本九州岛的八幡钢铁厂。但这次攻击并没有造成太大的破坏，68架飞机中只有47架命中目标，4架未能起飞，4架坠毁，6架因机器故障在途中弃置所带炸弹，1架被击落，其余的大多只轰炸了次要目标。
东京大轰炸
当时美军并未攻占马里亚纳群岛、硫磺岛等军事基地，轰炸机由中国出发会有补给问题，而且距离太远，所以从中国起飞的B-29必须减少载弹量以装载更多燃料，因而部署在中国的B-29只对日本发动了有限的攻击。直到麦克阿瑟的跳岛战术攻占了马里亚纳群岛的岛屿以后，美国第20航空队被编配到第21轰炸机司令部，并开始筹备使用B-29对日本本州岛的大规模轰炸。1944年10月第七十三轰炸机联队进驻马里亚纳群岛的塞班岛。
首次来自日本南方的袭击是1944年的11月24日，美军派出88架轰炸机空袭东京，意欲进行一次白天的精准轰炸。飞机在10,000米高空投弹，结果只有约30架飞机找到了轰炸目标，约10%命中预定目标，只有一个飞机制造厂被轻度破坏。
美军在欧洲曾使用日间精确轰炸战术，但因日本的天气并不适合此战术。另外日本与德国的军事工业完全不同，日本的军事工业主要由散布在居民区的小作坊生产零部件和预制件，然后送到大工厂进行组装。日间高空精确轰炸根本无法摧毁星罗棋布的小作坊，也就无法有效地打击日本的军事工业。所以美军决定在夜间进行地毯式燃烧弹轰炸，派出轰炸机在1,500-2000米的高度轰炸日本的大城市。
1945年1月，柯蒂斯·李梅（Curtis LeMay）少将被任命为第21轰炸机部队司令。2月19日，第20航空军的指挥部发出将“试验性”燃烧弹空袭提到优先位置的命令。
美军在1945年2月23日至24日首次对东京采取大规模燃烧弹轰炸，当晚174架B-29轰炸机在东京抛下大量凝固汽油弹（Napalm），把东京约2.56平方千米的建筑焚毁。这更加坚定了李梅实施大规模夜间火攻的决心。
重新评估局势后，李梅想出了一个重大战术变化。他决定在以后的任务中，拆除轰炸机上所有的枪炮炮塔以及弹药 ，只留下飞机尾部的机枪手，以减轻 B-29 的重量并携带更多的燃烧弹。并在5000-6000英尺的低空开展夜间轰炸，以引发大火来震撼日本国民，破坏散布在居民区的生产零部件和预制件的小作坊，以达到彻底瘫痪日本军事工业的目的。为避免不必要的伤亡，空袭时各轰炸机单独轰炸而不进行编队。由前面的轰炸引导机首先投弹, 引入目标区。该计划使已经习惯了安全高空投弹方式的轰炸机组人员疑虑重重。
李梅做出上述战术变化的原因是发现日军夜间防空装备不足。而且李梅决定延后将计划呈送华盛顿的时间，由自己承担这次作战任务的全部责任。
1945年3月9日至10日的轰炸
1945年3月9日夜间，334架B-29从马利亚纳群岛的关岛出发直扑东京，每架飞机携带六至八吨燃烧弹，燃烧面积可达6500平方米。
24时15分，两架导航机到达东京上空，在预定目标区下町地区投下照明弹，接着投下燃烧弹，为后续飞机指示目标。随后大批轰炸机以单机飞行依次进入目标区域投掷燃烧弹，火势迅速蔓延。轰炸持续2小时，共投下2000余吨燃烧弹。空袭中有9架B-29被击落，5架负重伤并在海面迫降，42架受伤但和其余轰炸机安全返回了基地。
轰炸造成的大火形成的灼热气浪与冷空气形成强劲对流风，造成了火旋风（Firestorm）。其产生的高温足以使市区内所有可燃物包括人体烧着。 轰炸使日本皇宫以东地区近41平方千米的建筑被焚毁，约为东京面积的四分之一。其中18%是工业区，63%是商业区，其余是住宅区。计划中的22个工业目标全部被摧毁，26万7千多幢建筑付之一炬，83793人被烧死，10万人被烧成重伤，100万人无家可归。。
1945年3月9日至10日的轰炸可能是人类历史上最具破坏性的非核武空袭，破坏力可以和后来的原子弹爆炸相比。大火之后日本政府花了25天才将烧焦的尸体清理完毕。
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