当上百架战机铺天盖地俯冲下来的时候，日军海军舰队以及岸上的士兵都惊呆了，他们的思维根本没有来得及切换到战斗状态，灾难就已经降临了。
最先遭到轰炸的是日军凤翔号航空母舰，这是日本海军司令部分配给第三舰队的航母，让其配合第三舰队作战。
苏联飞行员的素质很不错，第一轮轰炸就让凤翔号航母甲板起火，最重要的是把航母的飞行甲板给炸毁了，算是把日军海军航空队的窝给抄了，现在即使是海军航空队回来也无法降落了，至于补充弹药油料更是扯淡。
整个轰炸过程持续了半个小时，在第二支轰炸机群抵达战场之后，奥斯托洛夫少校立即带着第一轮轰炸的机群飞往南昌机场进行补充油料和弹药。
第二轮轰炸机群由国民政府轰炸机大队大队长张立群指挥，共计197架战机，每架战机携带50枚
飞往杭州湾之一队，见该湾八十公里附近并无敌航空母舰踪迹，惟见有敌舰进入100——1000磅不等的航弹。8:55分第二轮轰炸机群抵达吴淞口日军海港之后，各以三机成队，分自五千呎至七千呎高度施行轰炸，其轰炸敌舰出云号之一队，投弹后弹着点离敌舰约三十公尺，均经爆发，敌舰遂即向东逃遁，中国空军再接再厉继续追击，终于在第三次投弹中击中出云号指挥室，接着又有两嘜航弹在出云号的舰尾爆炸，令其一座锅炉爆炸，失去了动力。
其轰炸敌司令部之一队也战果辉煌，日军海军油库以及弹药库先后被毁，投弹后日军海军司令部南面和西面起火多处。
9:12分，一队70余架日军战机前来救援，可惜日军这支空军经过与南京上空的中国空军厮杀之后，不但弹药所剩无几，更重要的是油料也所剩不多，这些战机返回吴淞口主要是为了补充油料和弹药，没想到竟然被卷入了战局。
痛打落水狗的时候到了趁你病要你命，看到几架日军战机打着打着便毫无声息的栽了下去，中苏飞行员也不蠢，很快就明白了其中的缘由，轰炸之余追击一下没油的日军战机也是不错的。
9:40分，奥斯托洛夫带着第一轮轰炸机群再次飞临吴淞口军港，继续实行轰炸战略。9:56分，日军凤翔号航空母舰在遭受80多枚重磅航弹的袭击之后终于开始倾斜，不久之后沉入了浩荡的东海。
10:02分，已经失去动力的出云号装甲巡洋舰烟囱再中一弹，2号锅炉爆炸，致使弹药库发生殉爆，舰体在短短十五分钟之内断为两截，很快就沉入了海中，而日军第四舰队的旗舰能登吕号巡洋舰也被重创，搁浅到了浅海中，舰体多处受损，指挥室爆炸。
10:36分，第二轮轰炸机群再次光临吴淞口海港实施轰炸，此次轰炸的范围不但包括一片狼藉的吴淞口海港，还包括上海陆军司令部以及上海多处军事设施。
11:35分，中国空军700余架战机同时出动，飞往南京，一面对日军所有的军事设施实施轰炸，一面给南京城里的中国人散发纸弹。这些纸弹都是由国民政府昨天夜里临时加班加点印刷的，题目为《告全体国民书》，文章是由国民政府军事委员会政治作战部第三厅厅长郭沫若遂着手草拟，不但文采斐然，而且感人至深，极具煽动性和诱惑力。
12时许，在归绥焦急的等了一上午的陈锋终于接到了武汉机场发来的“虎！虎！虎！”电报，告知偷袭成功的消息。
此役，日军海空军损失惨重，在长江流域日军的空军实力一下子下降到了冰点。虽然北方空军和国民政府的空军部队也损失不小，双方共有176架战机被击落，但是战果却极为辉煌。
原本陈锋打算命令北方空军立即返回归绥，但是老蒋却亲自发来电报，希望北方空军可以继续留在武汉一段时间，趁日军空军损失惨重之机，好好收拾一下小鬼子。
对于老蒋的这个请求，陈锋是欣然应允，命令刘倪佳等人继续留在武汉作战，在10月25日之前返回即可。·