续发射过热卡了膛，泰勒的胳臂和大腿都受了伤。他们刚刚降落，威尔的机枪还未冷却，泰勒也还没接受急救，第二批十五架日机又呼啸而至，两人又立即起飞迎敌。日机在泰勒飞机后方抢占了有利位置，正准备攻击，威尔见情况紧急迅速急转对准泰勒最具威胁的那架日机，连连开火，日机中弹起火坠毁，泰勒因此得救，威尔随即转向海上追击另一架日机，就在海岸外八千米处追上它，一阵急促而准确的射击将其击落。这批美机在空中奋力迎战，总共击落了７架日机，其中泰勒少尉、威尔少尉分别击落２架和４架，因此双双荣获优异服役十字勋章，尤其是威尔少尉取得了偷袭珍珠港中最高战绩，成为珍珠港第一英雄。美军后来又陆续从各机场起飞了２５架飞机，但是由于仓促应战，准备不足，协同不好，有的被日机击落，有的被己方高炮击落，没能有效阻止日军的攻击。
八时二十五分，日军第一波飞机开始返航。渊田则继续留在珍珠港的上空，观察战果并指挥第二波飞机的攻击。在第一波攻击中，日军损失了９架飞机，其中鱼雷机５架，战斗机３架，轰炸机１架。日军第一波的攻击目标主要是美军的战列舰。“亚利桑那”号被击中二条鱼雷，后来又被四枚８００千克重磅炸弹命中，更致命的是其中一枚炸弹穿透前甲板，在弹药舱爆炸，引发了惊天动地的大爆炸，致使该舰在几分钟里沉没，全舰１０００余名官兵无一生还。“西弗吉尼亚”号左舷被击中六条鱼雷，尽管损管人员奋力抢救，仍无法控制住左倾，最终倾覆沉没。“西弗吉尼亚”号上的重量级拳击冠军二等炊事兵陶乐斯。米勒积极救助伤员，后又操作高射机枪猛烈射击日机，正因为他的英勇表现使他成为美国海军第一位荣获优异服役十字勋章的黑人士兵，并由继任太平洋舰队总司令的尼米兹上将亲自授勋。“加利福尼亚”号被三条鱼雷分别击中舰桥下方、３号炮塔下方和左舷中部，并有一枚８００千克炸弹穿透甲板在舱内爆炸，使得舰首上翘，沉入海底。“俄克拉荷马”号接连被三条鱼雷击中左舷，由于该舰水密性较差，爆炸又震开许多水密门，海水汹涌而入，加上舰长不在舰上，无人指挥，所以很快沉没。“田纳西”号虽然只被击中三枚炸弹，但受到外侧“西弗吉尼亚”号沉没时的挤压，又被后面相距仅２３米的“亚利桑那”号爆炸的火焰波及，引起上层建筑多处起火，导致重创。“马里兰”号被二枚８００千克炸弹命中，是所有战列舰中受伤最轻的，也最早修复。“内华达”号被一条鱼雷击中左舷，幸好不是关键部位，而紧邻的“亚利桑那”号上的熊熊大火，对“内华达”号威胁甚至更甚于日机，于是实际指挥的弗郎西斯。汤姆斯海军少校决定起锚出港规避，水手长埃德温。希尔勇敢跳入水中游上码头，解开缆绳，使“内华达”号能迅速起航。“内华达”号的突围也就成为第一波空袭中最惊心动魄的战斗，当“内华达”号在没有任何拖船协助下，倒退着离开锚地，成功驶入出港航道，四周军舰爆炸起火，灼热异常，“内华达”号上的炮手不得不抱住炮弹以免其受热爆炸。“内华达”号带着浓烟驶向造船厂前的航道最狭窄处，日军牧野三郎大尉指挥的俯冲轰炸机发现了这一情况，牧野决定利用这一机会实施集中攻击，将其击沉在航道上以彻底封闭珍珠港，为分散美军防空火力，日机从东南、西南两方向同时投入攻击，“内华达”号连中六枚炸弹，伤势严重，汤姆斯见已无突围可能惟恐军舰在航道上沉没而堵塞航道，立即在福特岛西南浅滩抢滩搁浅。
八时四十分，日军第二攻击波飞临瓦胡岛，共有１７１架，其中８１架九九式俯冲轰炸机，５４架九七式水平轰炸机，３６架零式战斗机。九九式各携一枚２５０千克爆破弹，九七式各携２枚２５０千克穿甲弹或是１枚２５０千克加６枚６０千克炸弹。空中总指挥兼水平轰炸机领队长机是“瑞鹤”号飞行长岛崎和重少佐，俯冲轰炸机领队是“苍龙”号飞行长江草隆繁少佐，战斗机领队是进藤三郎大尉，这一批飞机是七时十五分从航空母舰上起飞的，经过一小时二十五分钟的飞行赶来的。
八时五十五分，开始第二波攻击。日军战斗机首先对空中的零星美机进行攻击，以确保掌握制空权。美军汉斯。克利斯汀少尉、乔治。怀特曼少尉和萨缪尔。比谢普少尉跳上３架Ｐ－４０战斗机从瓦胡岛东部的贝洛机场强行起飞，结果汉斯。克利斯汀少尉刚爬入机舱还未开始滑行，就被日机击中，机毁人亡。其余两人尽管起飞升空，很快也被日机击落。第四十六驱逐机中队六位飞行员在路易斯。桑德斯中尉的率领下驾驶Ｐ－３６战斗机起飞，他们对正在轰炸一处机场的六架日机发起攻击，日机见有美机迎战便仓卒逃走，美机猛扑过去，桑德斯对领队日机开火，日机立刻冒着浓烟，摇摇晃晃地坠海。戈登。斯特林少尉紧盯住一架敌机，另一架日机则在他尾后向他开火，斯特林座机中弹起火但仍继续射击前面的日机，两架飞机一齐坠落。混战中美机共击落两架日机，菲利普。拉斯姆森少尉福星高照，驾驶着被打出５４４个弹孔的座机安全落地！这些英勇升空迎战的飞行员后来都获得了银星勋章和紫心勋章。日机在肃清了空中的美机后便转入对地面目标的扫射，水平轰炸机攻击了卡纽黑、希凯姆和福特岛三处机场。俯冲轰炸机则对有弹幕射出的军舰进行俯冲轰炸，这样就能避免重复攻击已受重创的美舰。“内华达”号战列舰正由拖船拖往韦波角，成为日机集中攻击的目标，舰上的消防管被炸断，只好由拖船用水泵全力协助该舰灭火。当日机见锚地里停泊的军舰都已沉没或起火，便转而攻击在船坞里的舰船。“宾夕法尼亚”号战列舰正在船坞里大修没被第一波的鱼雷机发现，所以没有受到攻击。但被第二波的日机投下的一枚炸弹命中，炸坏了小艇甲板。“肖”号驱逐舰被炸飞了舰首，起火的燃油随海水四下蔓延，引爆了在船坞里的另二艘军舰。在北部港湾里停泊的辅助船只也被第二波的日机炸沉炸伤多艘。
空袭开始不久，夏威夷医药协会总会便接到救护伤员的紧急电话，二十分钟里，医生和志愿者就已经把担架和医疗器械装上汽车，直奔现场。汽车大队的妇女驾驶着每辆可用的汽车，搭载兵员驰往珍珠港。公路上的情况已是一片混乱，军方车辆、消防车、救护车和几百辆运送官兵奔赴作战岗位的计程车，塞满了十千米长的公路上，喇叭声响彻云霄。汽车大队的女驾驶员表现尤其出色，真可谓巾帼不让须眉。受伤的官兵被紧急送往翠普勒陆军医院，院方急召檀香山的医生参加救护，正巧有五十名医生正在听纽约的约翰。穆尔黑德博士讲解战时外科手术，立刻赶往医院，投入救护工作。穆尔黑德博士刚示范过一项新医疗仪器，能很快测出人体内金属。那天早晨，这种仪器表现出巨大价值，节省了许多等待冲洗Ｘ光底片的宝贵时间。
在海军医院，原来在院内治疗休养的病人被送到外面的临时病房，为由担架抬来的受伤人员腾出病床。许多年轻的水兵断臂缺腿，还有几百名被烈焰灼伤。这些年轻人的勇气令人难以置信——病房里满是伤患人员，许多人伤势严重甚至已经奄奄一息，但却是一片静寂，无人呻吟。
在第一攻击波后，美军已做好了战斗准备，因此第二波遭到了较为猛烈的高射炮火射击。有２０架日机被击落，其中战斗机６架，轰炸机１４架。
九时四十五分，第二波的飞机开始返航。渊田驾机绕珍珠港低空盘旋一周拍摄了被炸后的情景，才最后一个返航。
十时，由哈尔西中将率领的以“企业”号航空母舰为核心的特混舰队，完成向威克岛运送增援战斗机的任务正在返回珍珠港的途中，接到太平洋舰队司令金梅尔上将的命令，向南追击日军舰队。这一命令是根据一连串错误的报告和无线电定位下达的，幸亏是错误的方向，不然，哈尔西的这支小舰队要是真的同日军舰队交手的话，肯定会被日军消灭，那么就不可能有日后在太平洋上立下赫赫战功的哈尔西和“企业”号航空母舰。徒劳无功的哈尔西率领舰队于１２月９日下午才返回珍珠港。
十一时，医院血库的血浆存量锐减，福雷斯特。平克顿医生立即广播呼吁献血。半小时内已有五百人聚集在医院门外等候献血，医护人员分十二个地点验血、抽血，但仍感人手不足，有的人竟然足足排了七个小时才献上血。
十三时，日军第二攻击波的飞机陆续返回航空母舰降落。渊田最后降落，他和第二航母舰队司令山口多闻少将都强烈要求进行第三次攻击。但是南云认为，攻击已取得了巨大成功，而美军的航空母舰和潜艇都没出现，如果突击编队在这一海域逗留时间过长，会遭到攻击，增加不必要的损失。他现在最重要的任务就是要把这支日本海军的主力舰队安全带回日本。所以拒绝了渊田和山口的建议，下令返航。突击编队收回飞机后，立即高速北撤，至１２月９日已远离珍珠港１１００千米以上。
１２月１５日，返航途中的突击编队接到山本的命令，派出若干兵力支援威克岛登陆作战。根据这一命令南云抽调航母、巡洋舰和驱逐舰各２艘，前去支援威克岛登陆作战，自己率主力继续返航。
１２月２３日，突击编队主力安全回到日本濑户内海。
１２月２８日，支援威克岛的８艘军舰完成任务回到柱岛基地。
没有与突击编队一起行动的中途岛破袭部队于１１月２８日从日本馆山起航，按预定计划于１２月８日深夜炮击了中途岛，共发射１２７毫米炮弹３００发，给中途岛美军造成了一定损失，然后调头返航，于１２月２１日回到濑户内海。
后来接替金梅尔继任美国太平洋舰队司令的尼米兹上将认为南云把突击时间限定为一天，突击目标又限定在有限范围里，没有最大限度利用这一来之不易的绝好机会。山本五十六评价南云是个庸材，说他在指挥时就象小贼入室行窃，开始时志在必得，胆大包天，稍一得手便心虚胆怯急于溜走。由于日军没有进行第三次攻击，而前两次攻击中日军又只重视对军事目标的打击，根本没有攻击珍珠港各种修造船设施齐全的造船厂和储存有４万加仑燃油的油库。日后美军正是利用造船厂的设备迅速打捞修复受创的军舰，正是利用油库的燃油使得航母频频出击，在短时间里恢复了太平洋舰队的战斗力。设想一下，日军即使只炸毁了油库，也足以让完整无损的太平洋舰队在六个月里无法出动。这是日军在这次偷袭中最大的失误！
另外在日机空袭时，从加利福尼亚飞来的１２架Ｂ－１７轰炸机和从“企业”号航空母舰上起飞的１８架ＳＢＤ“无畏”式俯冲轰炸机，正好飞到珍珠港。这两批飞机都是经过长途飞行，油料所剩无几，无法另寻机场着陆，只好冒着日机的轰炸和美军的高射炮火强行降落，在一片混乱中，共损失了２架Ｂ－１７和１０架无畏。
当日军飞机开始轰炸后，潜入珍珠港的日军伊—１６号袖珍潜艇由横山正治