对四面环海的岛国日本而言，本土防空一直是薄弱环节。早在 1938 年 5 月，中国空军就曾出动两架美制马丁 B-10 B 轰炸机，携带传单飞抵九州进行人道远征，在九州各大城市上空飞行、投放传单，半小时后安全返航，日军飞机未及起飞拦截，脸面丢尽。
对于这样的局面，联合舰队司令山本五十六心里是有数的，他在偷袭珍珠港之前，曾于 1941 年 10 月给海军大臣岛田繁太郎去信表达自己对本土挨炸的担忧：“万一敌机突然袭击东京大阪，怎么办？这两座城市若被炸成焦土，局势必然无法收拾；就算损失轻微，民间反应肯定也十分激烈，到时海军要如何交代？”
还真给他说中了。尽管盟军在太平洋战争初期因备战不充分而连战连败，但美国人绝不是日本人想象中贪生怕死的胆小民族，他们是果敢而务实的。
珍珠港事件过后，美国海军立即有条不紊地执行受损船只打捞、修复工作，同时准备对日本本土实施打击，还以颜色并提升军民士气。考虑到陆航航空基地起飞的飞机作战半径暂时够不到日本本土，亦无法从当时仍保持对日中立的苏联起飞轰炸机，美海军以航空母舰“进取”号、重巡洋舰“盐湖城”号与“北安普敦”号为核心的第十六特遣舰队，在 1942 年初只能先以日本的远海基地为目标，运用舰载机实施“打了就跑”的机动轰炸。
这支舰队的指挥官小威廉·哈尔西中将绰号“蛮牛”，是一员看似脾气火爆实则冷静睿智的名将，在他的指挥下，从进取舰起飞的舰载机自 1942 年 2 月至 3 月先后成功轰炸马绍尔群岛、威克岛以及南鸟岛，每次都几乎做到全身而退。其中，南鸟岛属于小笠原群岛，在行政上归东京府管辖。在日军四处威风得意之时，这些游击式的轰炸行动无疑是扇在日本人脸上的一记记响亮耳光。
对此，时任联合舰队参谋长的宇垣缠在日记《战藻录》中也不得不赞许道：美特遣舰队的特征就是敢于冒险，在如今太平洋四面开战的状况下亦能稳妥把握战机，既达到牵制我军的目的，轰炸也卓有成效。依我看，今后他们也会继续坚持这种非常有效的作战方针，其中最有可能也最具威胁的行动，就是帝都空袭！
然而，以这些舰载机的作战半径而言，想要轰炸日本本上，就必须让航母开到距沿岸三百海里处，在日本沿海哨戒极为严密的当时，并不现实。况且美国人此时手中的航空母舰也不多，其中，兰利舰在南太平洋和印度洋执勤，2 月 27 日战沉；胡蜂舰与游骑兵舰在大西洋执勤；萨拉托加舰因 1942 年 1 月 12 日遭日本伊号第六潜艇雷击受损，正在布雷默顿修理；最新的大黄蜂舰还未完工，正在东海岸的诺福克军港舾装。因而，美海军可在太平洋动用的航母暂时只有“列克星敦”“进取”和“约克城”三艘，冒不得这个险。
大黄蜂舰接近完工之时，美海军参谋弗朗西斯·洛上校赶赴诺福克视察。回程时，他从运输机里向下观看，见海军在陆基机场画出与航母等大的线框，用于训练新上舰的舰基机飞行员，与此同时，陆军航空兵的一队中型轰炸机正从这“模拟航母”上空飞过。一个念头出现在这位绰号“大青蛙”的老潜艇军官脑中：如果让航母搭载航程较长的陆基中型轰炸机，前去轰炸日本本土，怎么样？
回到华盛顿后，“大青蛙”立即向海军总司令欧内斯特·金汇报了这一想法，但也声明，自己不清楚满载弹药油料的陆基中型轰炸机能否顺利在航母上起降。金将军请海军航空兵的唐纳德·邓肯上校一起评估，后者花了五天时间进行研究，最后认为降落肯定行不通，但或许起飞是可行的。1942 年 1 月下旬，金将军将二人的建议转达给陆军航空兵司令亨利·阿诺德中将，双方一拍即合。
1942 年 1 月 31 日，大黄蜂舰整装待发。翌日，两架陆航的 B-25“米切尔”式双发陆基轰炸机被运上飞行甲板，分别由海航的乔·菲茨拉尔德上尉和詹姆斯·麦卡锡上尉驾驶升空，证明邓肯上校的判断无误。执行完轰炸任务后，这些飞机没法返回航母，只能继续向西飞行，争取在中国机场降落。
阿诺德中将推荐陆航的詹姆斯·哈罗德·杜立特中校担纲指挥这次行动。杜立特昵称“吉米”，是美国航空史上的传奇人物，他1896 年生于加利福尼亚州，“一战”期间即加入美国陆军空勤队，是第一个驾机横穿美国的飞行员，曾在施耐德杯、汤普生杯等航空大赛中折桂。参加行动的机务人员，皆来自陆航第十七轰炸队编制内的三个轰炸中队和一个侦察中队。因任务内容需要保密，杜立特只向各位队员宣布这是一次风险极高的特殊任务，因而只招收自愿前来的人员。志愿者报名踊跃，很快招满二十四个机组共一百二十个好小伙。
从 1942 年 2 月下旬起，杜立特便在佛罗里达州的埃格林基地开始训练机组，先是用 B-25 轰炸机练习短距离起飞，从而将起飞滑跑距离控制在约二百一十米内，随后是超低空轰炸训练，以避过在中高度巡逻的日本战斗机。
3 月 4 日，大黄蜂舰经巴拿马运河驶向西海岸，于 20 日抵达加州阿拉米达海军基地，陆航的十六架 B-25 轰炸机在七天后抵达。因为需要远程奔袭，这些飞机都经过改装，事先在民航公司拆除机腹炮塔并增设附加油箱。大黄蜂舰自身的舰载机全部被存放在机库中，并从 3 月 31 日起，开始用起重机将 B-25 吊至飞行甲板安放。翌日，包括杜立特在内的机务人员、后备机务人员及地勤人员共一百六十人离开埃格林基地赶赴旧金山，随后来到大黄蜂舰泊地，此时吊装飞机的作业正好完成。
1942 年 4 月 28 时 48 分（当地时间），大黄蜂舰拔锚起航离开旧金山，在港外与重巡洋舰“文森斯”号、轻巡洋舰“纳什维尔”号及第十八特遣舰队的其他辅助舰只会合，向西驶去。在离岸十海里处，大黄蜂舰舰长马克·米彻尔上校通过广播向全体乘员宣布：这次行动的目的是轰炸东京！舰队立即沸腾，战士们欢呼雀跃。
4 月 13日，第十八特遣舰队在中途岛以北与哈尔西中将的第十六特遣舰队会合，继续保持无线电静默，向西航行。海上气候瞬息万变，美军用钢缆和抓钩将 B-25 轰炸机牢牢固定在大黄蜂舰的飞行甲板上。4 月 17 日下午，输油船为作战舰只进行最后一次补给，随后与驱逐舰一起调头向东返航。两艘航母及所有巡洋舰增速至二十节，全力向西挺进，计划于 4 月 18 日下午在距日本本土四百八十海里的洋面上起飞轰炸机，对东京、横滨、横须贺、神户及名古屋实施夜间空袭。