5月3日黎明前，夏威夷東北偏北方100海里處，經歷5個多小時高速航行、繞道到此的日軍主力艦隊開始放飛第一波攻擊機群；與此同時，西北方180海里外，日軍第2航空戰隊提前起飛的佯攻機群正撲向珍珠港。既然不是襲擊，日軍就沒必要趕在黎明，一直等到天微亮的6時10分，美軍各種對空雷達屏幕上才在西北方向出現密密麻麻的目標，負責統一指揮空中力量的陸軍航空隊肯尼中將立即下令戰斗機部隊主力投入攔截，並下令防空部隊執行無差別防空作戰，陸海軍所有高射炮和高射機槍全部進入臨戰狀態。就在陸軍p51機群打頭、海軍陸戰隊f4緊跟，正在目視日機群準備接戰時，東北方向的美軍雷達突然一起告警，屏幕上顯示規模更大的日軍正殺向珍珠港，美軍司令部頓時大亂。
6時25分，戰斗首先在珍珠港西北20海里的空中爆發，由飛鷹、隼鷹、龍鳳等航母起飛的是零式戰斗轟炸機和烈風式戰斗機組成的混合編隊（歷史上馬里亞納海戰中這幾艘航母由于航度慢等原因未裝載天山式攻擊機等先進戰機，史實。）直撲美軍戰斗機群。由于是佯攻，零式機並未攜帶炸彈，所以等于是戰斗機；于是這場美軍認為的截擊轟炸機之戰立即變成戰斗機之間的決斗。雙方各100多架戰斗機打成一團，上下翻飛，12.7機槍密集的掃射中還夾雜著日機的20口徑航炮轟擊；單薄且飛行員缺乏經驗的零式戰斗轟炸機如史上那樣再次被美機打的紛紛墜海，但由比較技術比較熟練甚至有作戰經驗飛行員駕駛的烈風式戰斗機則以不弱于美機的速度、機動性和防御力，及更強大的火力也將一架架美機打的爆炸起火；在大部分零式或毀或逃後，美機逐漸依靠數量優勢佔據上風，剩下的以烈風為主的日機掉頭撤退，美軍戰斗機追殺過去；緊跟著戰斗機起飛的由雜七雜八轟炸機、高級教練機甚至一些小型水上飛機等組成的美軍攻擊機隊則跟著戰斗機撲向預想的日軍主力艦隊而去。
然而此時日軍主力機群已經逼近珍珠港，肯尼將軍投入的剩下幾十架戰斗機已經被從翔鶴、瑞鶴、飛龍、雲龍、天城等航母上起飛的、佔絕對優勢的烈風式戰斗機打的潰不成軍。天山式魚雷轟炸機和彗星式俯沖轟炸機都滿載著炸彈撲向各自的目標，這一次日軍可不會放過油庫和船塢了。美軍以75高射炮為主的地面防空火力一起發射，組成彈幕攔截日機；隨著日機紛紛突入，美軍的防空火力只能散開各自搜尋目標；停泊在港內海軍主力艦上的127高平兩用炮以更大的威力發射無線電近炸引信高爆彈；當慧星式開始俯沖轟炸時，各種艦艇上大量裝備的40、20高射炮也加入密集的射擊。但歷經磨難的山本五十六根本沒把主攻目標選在港口，天山式魚雷轟炸機攜帶的全部是炸彈而非魚雷，和慧星式一起用炸彈將美軍地面部隊的重型高射炮一一摧毀；雖然美軍遠程防空火力迅速啞火，戰斗很快就變成一邊倒的屠殺，日軍投下的大量炸彈在各處爆炸，不但油庫、機場、兵營等設施，連檀香山市區也是濃煙滾滾，只有福特島為核心的海軍基地區未遭遇大的轟炸，唯一被摧毀的是油庫，不過除了飛機用的油庫起火爆炸外，大量艦船使用的重油油庫只是被炸的泄漏而已。
另一邊，夏威夷西北200海里外的空中，由200多架雜七雜八的美軍飛機組成的轟炸部隊在剩下的幾十架戰斗機掩護下，在機載雷達跟蹤下終于逼近日軍第2航空戰隊為核心的混編艦隊。日艦上剩下的少量防空戰斗機立即迎戰，和美軍護航戰斗機殺在一起，日軍的127重型和大量25輕型高射炮齊放，但重型的無近炸引信，輕型的又太輕，防空火力遠不如美軍那樣有效；哪怕飛來的只是雜牌飛機，一顆顆炸彈還是不斷在日艦左右爆炸。旗艦飛鷹號航空母艦首當其沖，幾乎一半炸彈都是沖著飛鷹號去的，雖然飛鷹和護航的驅逐艦用重型高射炮連續擊毀多架美軍慢速的大型機，但還是連接被10多顆炸彈命中並引起來不及處理的軍艦攜帶炸彈殉爆，在美軍開始轟炸10多分鐘後就在一連串巨大爆炸中翻沉；同型的隼鷹號航空母艦也中了幾彈，飛行甲板被炸成破爛，但幸好軍艦航行不受影響，乘缺乏經驗的美軍投光炸彈後掉頭逃之夭夭；此外日軍還有多艘中小型艦船受損。
不過這也是美軍當天僅有的勝利，隨著主力艦隊第二波攻擊機群光臨夏威夷，美軍無論空中還是地面的抵抗都所剩無幾，剩下的飛機也被打的七零八落，有些更在油彈耗盡的情況下被美軍直接拋棄在各個島上；很快，除海軍艦隊防空得力的福特島附近外，駐夏威夷群島各地的美軍乃至老百姓只能听憑日機在中高空域反復轟炸；接著是第三波、第四波。尼米茨按住哈爾西，痛苦的望著窗外遠處市區和岸上基地的火焰和濃煙，還是制止了哈爾西試圖率領低速艦隊出港進行自殺性攻擊。越來越近的日本艦隊一直反復轟炸到傍晚時分，最後一波以高空進入將數百枚炸彈投進福特島、造成擁擠在島上避難的人員大量傷亡後，才在夕陽西下中得意洋洋的返航。
天終于黑了，大部分美軍都在救死扶傷，但還有少數則在撲向預測的日軍主力艦隊方位，以18－20節速度前進的是已經慢速潛航一個白天、剛剛浮起的20多艘潛艇，以30節以上高速飛馳的最後一批日機離開後才啟動的10多艘還完好無損的驅逐艦；夜空中則飛翔著白天躲避在大島（夏威夷島）隱蔽處飛來增援的反潛水上飛機。機載雷達很快就發現茫茫夜色中高速向西北方向疾駛的大型艦隊，在多架水上飛機不斷導航修正指引下，阿利•伯克上校率領的美軍驅逐艦隊以每小時5－6海里的相對速度接近撤退的日軍，不到夜半就超越了肯定趕不上而只能改慢速在海面上給電池充電的潛艇群。凌晨2時余，日軍終于從其低劣的艦載雷達中發現後方高速接近的目標。此時的日軍大艦隊也已經跑散了，畢竟不是每條軍艦都能一直保持近最高速正常運載的，驅逐艦可以丟，但大艦誰舍得不戰而棄？何況都知道如此高速追趕而來的至多是全新的大型輕巡洋艦，更可能只是驅逐艦，眼見屏幕上區區十多個亮點，主力艦隊何懼之有？
不過夜間反擊，特別是明知美軍有先進雷達還夜間反擊是沒必要的，哪怕日軍有打夜戰的信心，山本五十六也沒同意倉促反擊，而是下令繼續向西北方向撤退，還丟棄了一艘輪機出故障、難以跟上大隊的驅逐艦。2個小時之後，美軍已經追近到日軍後隊約8海里遠，雙方雷達屏上都顯示出對方的大致陣容；不過美軍只是驅逐艦，127主炮還夠不上，而日艦則因為雷達低劣只能模糊搜索、遠達不到夜間火控效果而無法使用重炮有效轟擊，雙方依舊悶聲高速賽跑。又過了1個多小時，阿利•伯克在黑暗中距離斷後的日軍驅逐艦不到2000米距離才下令開火，在新型火控雷達引導下，弗萊徹級驅逐艦以準確的127炮群打出的第一排炮彈就打成近失彈，隨後高速的驅逐艦主炮多發命中多條日軍驅逐艦。美軍一開火，早有準備的日軍立即反擊，數十發照明彈瞬間就照亮了美軍開火海域的夜空；訓練多年的日軍夜戰專家們借著閃爍的亮光一一報出美艦參數，近藤信竹指揮的第2艦隊多艘重巡洋艦的雙聯裝203主炮開火了，重磅炮彈越過4、5000米將高速突擊美艦編隊砸去，第一批炮彈就在美軍編隊當中炸開，幸好只是幾條快速前進的驅逐艦當中。
雙方都是30多節的高速機動艦，日軍不斷發射照明彈，5艘重巡、2艘輕洋及20多艘驅逐艦迅速掉頭蜂擁而上，美軍除半路拋錨落伍的還有14艘驅逐艦，全部是弗萊徹級，在伯克指揮下分成3個分隊不斷曲折前進，躲避日本巡洋艦的炮彈，依靠雷達火控系統不斷打出準確的單艦齊射，日本重巡洋艦特別高大的上層建築成為雷達屏幕上最顯眼的目標，127炮彈接連命中、擊穿單薄的舷甲在船艙內爆炸。不過隨著雙方迅速接近，日軍的203、140、127炮彈也越打越準，接連擊中美軍驅逐艦，威力巨大的巡洋艦主炮可非127炮彈可比，多艘驅逐艦在瞬間就被炸成一團熊熊大火；雙方距離在迅速接近，533魚雷從弗萊徹級驅逐艦上不斷發射，日軍驅逐艦則為避免魚雷被美軍大炮擊中殉爆也向美軍驅逐艦發射威力更大的610魚雷，雙方數十道水線在1、2000米的距離內近80節的相對速度對穿，只能炮30多節雙方軍艦在黑暗中哪怕有照明彈幫忙也都無法避免被擊中。一連串巨大的爆炸聲過後，雙方都有超過10條軍艦或癱瘓在海面上，或已經在下沉，場面大亂。