与此同时，由高桥赫一少佐指挥的九九式俯冲轰炸机，则像一群嗜血的苍鹰，从高空猛扑下来，对着瓦胡岛上的各个美军机场——希卡姆机场、惠勒机场、福特岛海军航空站等——进行了毁灭性的轰炸。他们投下的一枚枚250公斤的炸弹，准确地命中了那些毫无防备、整整齐齐停放在地面上的美军飞机和机库。一时间，机场上火光冲天，浓烟滚滚。零式战斗机则在低空来回扫射，压制着美军零星的防空火力，并将地面上的飞机打成筛子。
美军的反应，在最初的几十分钟里，可以说是猝不及防。虽然早在7点左右，瓦胡岛北岸的奥帕纳移动雷达站的两名雷达兵，乔治·艾略特和约瑟夫·洛克德，确实侦测到了一大批不明飞机从东北方向接近，距离约130多英里。他们将这一重要情报上报给了位于沙夫特堡的信息中心。但值班的克米特·泰勒中尉，一位缺乏经验的陆军航空队追击机飞行员，却草率地认为这可能是从美国本土按计划飞来的一批B-17轰炸机（当天确实有一批B-17预计抵达），或者是海军的侦察机，于是漫不经心地告诉雷达兵“别管它了”。这个致命的误判，使得珍珠港错失了最后也是最关键的半个多小时的预警时间！港内缺乏戒备，高射炮火最初也未能形成有效的有组织的还击。
第二波攻击（夏威夷时间约08:50 – 10:00）
第一波攻击的硝烟尚未散尽，由岛崎重合海军少佐（飞行队长）率领的第二攻击波的171架飞机（包括54架九七式水平轰炸机、78架九九式俯冲轰炸机和36架零式战斗机），又接踵而至。他们的主要任务，是对那些在第一波攻击中幸存或受损较轻的美军舰船进行“补刀”，并进一步摧毁机场设施、飞机库等，彻底瘫痪美军在夏威夷的空中力量和后勤保障能力。
第二波攻击中，正在船坞中维修的太平洋舰队旗舰“宾夕法尼亚”号战列舰及其旁边的两艘驱逐舰“卡辛”号和“唐斯”号 ，遭到了俯冲轰炸机的猛烈轰炸。船坞被炸弹击中后注水，“卡辛”号和“唐斯”号被炸得翻了个底朝天，严重损毁。“宾夕法尼亚”号本身也中了一枚炸弹，但损伤相对较轻。
试图冲出港口的“内华达”号战列舰 ，则成为了日军俯冲轰炸机集中攻击的目标。它身中数枚炸弹和近失弹，燃起大火，为了避免在狭窄的主航道沉没而堵塞港口，它最终在怀皮奥半岛附近抢滩搁浅。
机场和飞机库也遭到了进一步的破坏，更多的美军飞机在地面被摧毁。
然而，就在这看似“宜将剩勇追穷寇”的时候，日军第二攻击波却犯下了一个（或者说，是南云忠一的指挥再次出现了）极其致命的疏忽——他们几乎完全忽略了珍珠港内几个对美军来说具有战略意义的“致命要害”！
最重要的就是珍珠港海军基地内，储存着数百万桶航空燃油和舰用燃油的油库区！这些是美国太平洋舰队未来几个月甚至更长时间内作战所必需的“血液”！如果这些油库被彻底摧毁，太平洋舰队的恢复时间将会被无限期地延长！然而，日军的轰炸机群，似乎并没有把这些高大显眼、又极易燃烧的油罐区作为优先攻击目标。
同样被忽略的，还有珍珠港内那些规模庞大、设备完善的修船厂、干船坞和各种海军维修设施。这些设施对于修复那些在空袭中受损的舰船至关重要。
至于那五艘被寄予厚望的袖珍潜艇，它们的表现则完全是一场灾难。除了在空袭开始前被“沃德”号击沉的那艘，其余四艘中，一艘在攻击“柯蒂斯”号水上飞机母舰时发射鱼雷未中，自身反被击伤后冲滩被俘；另一艘在港内发射鱼雷后也神秘失踪（可能被击沉或自沉）；还有两艘根本没能进入港内或在进入后未能发现有价值的目标。它们最终未能对港内的美军战舰造成任何实质性的破坏，反而自身全部损失。
大约在上午10点左右，第二攻击波的飞机也开始陆续返航。此时，珍珠港上空虽然仍有零星的战斗，但大规模的空袭已经基本结束。
渊田美津雄等空中指挥官在返回航母后，力主发动第三波攻击，认为应该乘胜追击，彻底摧毁珍珠港的油库、修船厂等岸上设施，以及搜寻并攻击可能在附近海域的美军航空母舰。
但舰队司令南云忠一中将，在听取了各方报告（包括机群在第二波攻击中损失有所增加、美军防空炮火的增强、以及对美军航空母舰行踪不明的担忧，最重要的是，他认为已经基本达成了摧毁美军战列舰主力的主要作战目标）之后，最终还是做出了一个后来备受争议的决定——取消第三波攻击，舰队全速撤离，返回日本！他担心如果恋战不退，一旦舰队位置暴露，遭到美军（特别是其航母舰载机）的反击，那他这支宝贵的航母特混舰队（日本海军的全部家当啊！）可就危险了！保存自己的航母实力，在他看来，是压倒一切的任务。
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