整整两个多小时内，美军出动的334架B-29轰炸机中，有279架飞到目标区进行了投弹，投弹总量1667吨（日方称1783吨），共计38.13万枚燃烧弹。当B-29轰炸机投弹之际，空中指挥官鲍尔命令机组将自己的座机爬升至高空，仔细观察轰炸效果，收集可供日后分析评估的数据，同时通过无线电向李梅汇报轰炸效果，称眼前的场景犹如长诗《神曲》中所描绘的"炼狱"。
美军这次火攻，让东京城区足足燃烧了四天五夜，据美国战略轰炸调查团报告显示："此次空袭的威力和强度使日本军国主义者大为震惊，东京人口最密集的41平方千米地区被彻底烧毁，就其破坏性而言，后续空袭都无法与之比肩。"据统计，此次火攻使东京大约四分之一的城区被夷为平地。美军计划内的东京22个工业目标全部被摧毁，268358幢建筑付之一炬，83793人死亡，近10万人（日方统计40918人）被烧伤或呛伤，约100万人无家可归。 此次火攻之后，日本政府花了25天的时间才将现场被烧焦的尸体清除完毕。
在3月9日的空袭中，美军有9架B-29被击落，5架负重伤并在海面迫降，42架受轻伤后返回了基地。这一损失远低于战前美军参谋军官们设想的75%战损率，同时也证明了李梅的战术思想是正确的。
