第一攻击波的攻击持续了1小时后开始返航，日本方面只损失了9架飞机。这时，第二攻击波的171架飞机又飞抵珍珠港上空。这些飞机冒着越来越强的高射炮火，冲破硝烟，再度向地面和水上目标展开猛烈攻击。一队俯冲轰炸机发现了停在船坞中的“宾夕法尼亚”号战列舰，这艘在第一次攻击中唯一幸免的旗舰终于未能逃脱，甲板上燃起了熊熊大火。
第二攻击波也大约持续了1小时。这次攻击进一步扩大了战果，但由于猛烈的高射炮火，损失了20架飞机。整个攻击结束后，渊田绕珍珠港飞了一周，拍下了许多照片。
在2个小时中，日本人完全统治着珍珠港的上空，354架飞机随心所欲轰炸扫射，击沉击伤了美国太平洋舰队全部8艘战列舰，其中击沉5艘、重创3艘，击沉击伤其它舰船10余艘，击毁美机400多架，美军伤亡约4000人。而日本仅付出了29架飞机的代价。