El ataque comenzó a las 7:48 a.m., hora local, y fue llevado a cabo por 353 aeronaves japonesas que incluían cazas de combate, bombarderos y torpederos que despegaron de seis portaaviones. Resultaron dañados los ocho acorazados estadounidenses atracados en el puerto, y cuatro de ellos se hundieron. De estos ocho, dos fueron reflotados y cuatro reparados, por lo que seis pudieron volver a entrar en servicio más tarde, durante la guerra. El ataque japonés también hundió o dañó tres cruceros, tres destructores, un buque escuela y un minador.
Los estadounidenses perdieron 188 aeronaves, murieron 2.403 estadounidenses y otros 1.178 resultaron heridos de diversa consideración. Sin embargo, los japoneses no atacaron la central eléctrica, el astillero, las instalaciones de mantenimiento, los depósitos de combustible y torpedos, los muelles de submarinos y el edificio del cuartel general y de la sección de inteligencia. Los nipones perdieron 29 aeronaves y cinco minisubmarinos, además de sufrir 65 bajas militares entre muertos y heridos.
A los pilotos japoneses se les ordenó seleccionar los objetivos más valiosos (acorazados y portaaviones) o, si estos no estaban presentes, cualquier otro gran buque de guerra (cruceros y destructores). Los bombarderos en picado atacarían objetivos en tierra y a los cazas se les encomendó el ametrallamiento y destrucción de todos los aviones estadounidenses en tierra para intentar asegurar que no despegaban y contratacaban a los bombarderos, especialmente en la primera oleada.
Cuando el combustible de los cazas se estuviera agotando, tendrían que regresar a los portaaviones a repostar y después reincorporarse al ataque. Antes de comenzar la ofensiva despegaron desde cruceros dos aeronaves de reconocimiento para explorar sobre Oahu e informar de la presencia de cualquier flota enemiga y su localización. Otras cuatro aeronaves de reconocimiento patrullaron el área entre la fuerza de portaaviones japonesa (la Kido Butai) y Niʻihau con la finalidad de que esta no fuera tomada por sorpresa en un contraataque.
A medida que la primera oleada se acercaba a Oahu, un radar SCR-270 del Ejército de los Estados Unidos ubicado en Punta Opana, en el extremo norte de la isla, la detectó y dio la señal de alarma. El radar había estado en modo de pruebas por el Departamento hawaiano del Ejército durante un tiempo, pero no estaba completamente operativo. A pesar de que sus operadores, los soldados George Elliot Jr. y Joseph Lockard, informaron del objetivo, el teniente Kermit A. Tyler supuso que se trataba del regreso de seis bombarderos B-17.
Las aeronaves se encontraban muy cerca (a solo unos pocos grados, divididas en dos grupos) y aunque los operadores nunca habían visto una formación tan grande en el radar, olvidaron decirle a Tyler su tamaño, y este a su vez no les pudo decir, por razones de seguridad, que podría tratarse de los B-17 (aunque esto era conocido por todos).
Mientras la primera oleada se acercaba a tierra fueron derribadas varias aeronaves estadounidenses, y al menos una radió una advertencia incoherente. Otras advertencias emitidas por los buques que se hallaban frente al puerto se estaban procesando todavía cuando los aviones japoneses comenzaron a lanzar bombas y a ametrallar. A pesar de todo, no está claro que ninguna advertencia hubiera tenido mucho efecto aunque hubiera sido interpretada correctamente y de manera más rápida.
Al tiempo, los bombarderos en picado se lanzaban contra las bases estadounidenses a lo largo de Oahu, empezando por el aeródromo Hickam, el más grande, y siguiendo por el campo Wheeler, la principal base de la fuerza de cazas del ejército norteamericano. Los 171 aviones de la segunda oleada atacaron el aeródromo de Bellows, cerca de Kaneohe, en el lado de barlovento de la isla, y la isla Ford. La única oposición estadounidense por aire fue la de un puñado de aeronaves P-36 Hawk, P-40 Warhawk y algún bombardero en picado SBD Dauntless que despegaron desde el portaaviones Enterprise.
Los hombres a bordo de los buques estadounidenses se despertaron con el pitido de las alarmas, las explosiones de las bombas y el tiroteo. Aún somnolientos hubieron de vestirse rápidamente mientras corrían a las estaciones de zafarrancho de combate (el famoso mensaje «Ataque aéreo en Pearl Harbor, esto no es un ejercicio» fue emitido por la Segunda Ala de Patrulla, el primer alto mando de Hawái en responder).
Los defensores no estaban preparados: los almacenes de munición estaban cerrados, los aviones estacionados ala con ala a la intemperie para evitar su sabotaje y casi nadie disparaba las ametralladoras (ningún calibre 5"/38, solo un cuarto de las ametralladoras y 4 de 31 baterías antiaéreas entraron en acción). A pesar de este bajo nivel de alerta, numerosos militares estadounidenses respondieron con eficacia durante la batalla. El alférez Joe Taussig, Jr., único oficial a bordo del Nevada, tomó el mando de la nave pero perdió una pierna.
El barco acabó varado en el puerto por el intendente. Uno de los destructores, el USS Aylwin, fue puesto en marcha con solo cuatro oficiales a bordo, todos con el rango de alférez y ninguno con más de un año en el mar. Este barco permaneció 36 horas en el mar antes de que su comandante en jefe consiguiera regresar a bordo. El capitán Mervyn Bennion, comandante del USS West Virginia, lideró a su tripulación hasta que resultó herido por los fragmentos de una bomba que impactó en el USS Tennessee, amarrado justo al lado.
Horas después, en el Congreso, el entonces presidente Franklin D. Roosevelt declaró la guerra a Japón con el famoso discurso de la infamia: “Ayer, 7 de diciembre de 1941, una fecha que pervivirá en la infamia, Estados Unidos fue atacado repentina y deliberadamente por fuerzas navales y aéreas del Imperio de Japón. Como Comandante en Jefe del Ejército y de la Marina, he decretado que se tomen todas las medidas para nuestra defensa.”
Los bombardeos acabaron con la vida de 2.400 militares estadounidenses. Doce barcos de guerra quedaron completamente destruidos y nueve seriamente dañados. Estados Unidos perdió además 164 avionetas de su flota aérea. Las bajas fueron menos importantes en el campo japones, que perdió 64 hombres, cinco barcos y 29 cazas zero.
Como cada diciembre, el día 7 veteranos estadounidenses recordarán a sus compatriotas fallecidos en Pearl Harbor hace 79 años. La memoria se mantiene viva también en el Monumento erigido sobre el pecio del acorazado USS Arizona, en recuerdo a los más de 2.000 marinos y soldados de EEUU que murieron en ese ataque.