Doolittle se destacó sobre todo por liderar el primer ataque estadounidense sobre suelo japonés, consistente en un bombardeo sobre Tokio por aviones B-25 embarcados en el portaaviones USS Hornet el 18 de abril de 1942, operación conocida desde entonces como Incursión Doolittle.
Este ataque, relatado en numerosas películas del género bélico, supuso un punto de inflexión en el rumbo de la guerra, a pesar de que, más que una gran devastación, se buscaba un efecto propagandístico como en efecto lo tuvo. Esta acción le valió la Medalla de Honor del Congreso colocada personalmente por el presidente Roosevelt, y el ascenso a General de Brigada. De hecho, el mismo Doolittle pensaba que una vez en los Estados Unidos, sería juzgado por haber perdido todos los aviones, en lugar de eso, fue aclamado como héroe.
