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战斗经过
1944年12月18日早上，在李梅的指挥下，由成都第20轰炸机司令部派出了92架B-29轰炸机，携带500吨的M69燃烧弹起飞。陈纳德曾要求提前45分钟出发，但因为通讯问题，消息没有被传达到[5]:143-144。
12时7分左右，战机飞抵武汉，对汉口码头和修船厂以及其他军事设施和物资仓库进行空袭。[7]:311-313紧接着，B-24解放者轰炸机和护航机进一步扩大了战果。[5]:144
而日本方面，一经观测到美军轰炸机靠近武汉，驻在武汉的日军第八飞行师团在师长青木乔少将的统一指挥下，第85飞行战队的18架四式战斗机、第25和48飞行战队的约20架一式战斗机起飞拦截。日军自称击落了两架B-29轰炸机，击毁了11架[7]:311-313[3]:550。
13时10分左右，美军第一支轰炸机编队完成任务离开，日机乘机降落进行补给、维修及飞行员的休息。[7]:311-31314时36分左右，来自第14航空队的34架B-24轰炸机以及149架各式其他战机组成的第二支轰炸机编队[8]:218-219，分为五个机群飞向武汉。虽然日军下达了空袭警报，同时派出所有可以出动的战斗机不断升空迎击，但日机被大量美军护航战斗机拦截，无法贴近 B-24 机群[7]:311-313，日军自称击落了4架P-51战斗机，击毁了3架[3]:550。
由于投掷顺序的错误，在第一批炸弹投下后，汉口市区笼罩在了浓烟之中，严重影响了后续轰炸机的定位。在此之后，便只有少数几架单独行动的飞机正确投下了炸弹，除此之外未能命中有效目标，反而将其余的炸弹错误地投掷到了武汉平民的居住区，造成了大量的平民伤亡。[5]:144
中美空军混合团的3架P-40战鹰战斗机夜间返回时，中方机场没有照明，无法降落，导致飞行员不得不跳伞逃生。其中美国空军王牌飞行员、中美空军混合团指挥官威廉·诺曼·里德（William Norman Reed）跳伞失败而死亡。[7]:318
结果
日军汉口基地全部50架飞机中的4架战斗机被击坠，19架飞机在地面被击毁，武汉地区战斗机仅余 20 架的战力；生活与战斗物资也被摧毁，日军在东部已经开始出现饥荒，战斗力大为下降。虽然空袭仅命中了38%的目标，目标地区最终有40%-50%被焚毁[5]:142-144。汉口市区因燃烧弹的攻击发生大规模火灾，大火在长江沿岸5公里以内的范围燃烧了3天[8]:218-219。
与此同时也造成了汉口一半以上的市区被烧毁，约4万汉口市民伤亡[2]。从汉口一元路至五马路、江边至铁路线一带，在长约3公里、宽约5公里的区域内．一片火海，房屋被毁15600余栋[1]:142。日租界大部分被破坏[7]:311-313。
美军也有6架战机被击落，飞行员跳伞被俘，并被日军带到武汉市区游街示众。据亲历者回忆，俘虏遭到了部分空袭受害者的殴打，但有其他武汉市民怀疑殴打俘虏的受害市民是日方安排的或日本人假扮的。[4]
1944年12月28日，李梅少将[9][注 2]提出把轰炸汉口作为对日本总攻的初步，从此，美军频繁对武汉进行穿梭轰炸，市区一片残垣破壁。[1]:142
因为战略重镇武汉频遭轰炸，日军的攻势在1945年1月有了明显的减弱，此次轰炸着实达成了其战略目的。[2]
后续影响
汉口大空袭是美军在首次使用燃烧弹对人口密集的大城市进行地毯式轰炸，这项战术之后被应用于对日本本土的空袭。[5]:144此役应当不是空袭日本计划的直接来源[5]:144，但陈纳德在其回忆录《战士的路》中称，此役给李梅留下了深刻的印象，坚定了其在日本采用同种战术的决心[10]:330。
尽管造成的人员伤亡非常严重，但这场空袭在国际上少有人研究，在中国国内也因受到政府审查而较少被新闻界报道，以至于至今少为人知。[2]亚利桑那州立大学史蒂芬·麦金农（Stephen R MacKinnon）教授称，由于中国的消息来源极为匮乏，他在研究中只能依靠美国军方的文献，唯一与此次战役相关的可靠中文来源为《武汉市志·军事志》中的记载。[9]
【 在 shunderen 的大作中提到: 】
: 美军第一次大规模使用燃烧弹轰炸，之前使用传统炸弹效果不好，
: 而且成本太高。
: 燃烧弹对于中国，日本这类木头建筑居多的，杀伤力非常大，城市变成一片火海
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