3月3日清晨，伊-15、19、26部署到了法属弗里格特浅礁，同时伊-9号潜艇也抵达了位于沃特杰岛与法属弗里格特浅礁之间的M点(北纬19度，西经174度20分)，负责对附近的气候进行预告以及中途导航工作(因为行动距离实在太远，导航误差的积累可能导致航向较大偏差，因此需要中继修正航向)。
4日凌晨0025时，K作战计划正式实施，2架全新的二式飞行艇在桥爪寿雄大尉(位于1号机)带领下自沃特杰岛起飞，一前一后，消失在夜空。整个晚上，他们都沿一条朝偏西北方向的航线飞行。到了8时35分，飞行艇编队接近了M点，与伊-9潜艇通过长波设备取得了联系。9时10分，伊-9确认了飞行艇队的航向正确，于是编队继续朝法属弗里格特浅礁方向飞行。在下午13时，抵达了浅礁外预定的补给点。然而由于潜艇没有按时抵达规定的位置，因此飞行艇编队就在空中盘旋了近1个小时等待。这段时间，飞行员们焦急如焚。但是很快，潜艇就出现了。13时50分，按照日军原定设想，2架飞行艇相继着水，随即伊-15、19两艘潜艇接近飞行艇，他们将在水面完成燃料补给作业(由此来看，伊-26当为预备艇，万一伊-15、19中有一艘出现问题，将接替燃料补给作业)。此时，为了防止遭到美军偷袭，保持紧急反应能力，潜艇在水面保持5节速度航行，而在潜艇的拖曳下进行补给的飞行艇也保持发动机工作状态。
由于风浪和先前试验经验不足，导致补给作业相当地困难。当时的海面浪高约2米，风速达到14米/秒，在这种情况下加油，首先要保证飞行艇和潜艇之间保持安全的距离以及油管的安全，避免出现碰撞失事和油管断裂。但是对于飞行艇队来说，没有选择，必须完成任务。大约1个多小时后，12000升航空燃料终于进入了飞行艇的油箱内。此时，飞行艇切断了油管和潜艇上的系留索，随后加大马力，准备离开水面。同样，日本飞行员和海军士兵对在2米浪高的情况下，飞行艇能否安全携带1000公斤载荷(4枚250公斤炸弹)起飞，心存疑虑。然而最终事实证明，这种担心是多余的，16时正，两飞行艇起飞成功，并爬升到2400米高度，重新编队，取偏东航向，朝夏威夷飞去。不过，起飞的两架飞行艇均有损伤，其中1号机的机首部分受损变形，而2号机的下部水密舱出现了一个10X40厘米的破孔。这些都是在降落时与水面撞击造成的。
此后，飞行艇编队分别于16时57分、18时25分和19时35分安全通过了内克岛、尼华岛和考爱岛上空，于21时10分抵达瓦胡岛附近。领队的1号机迅速判断出卡胡库角的灯火，然后桥爪大尉命令飞行艇队爬升到4500米的高度，从瓦胡岛北进入，扑向珍珠港。
当时，珍珠港上空正被浓厚的云层所覆盖，因此在瓦胡岛北方进入航线后，桥爪大尉只能通过时间来推测是否到达了目标上空。但幸运的是，当飞行艇真正抵达珍珠港上空时，云层有了缺口，桥爪大尉看到了福特岛和希卡姆机场，于是准备实施轰炸。1号机从珍珠港西岸上空向左拐弯，进入轰炸航路，大约在21时10分投下了炸弹。由于云层的干扰，飞行员无法判断自己是否炸中了目标。本来，2号机应该跟随1号机投弹的，但是由于进入轰炸航路后，恶劣的天气使得1、2号机之间失去了通信联系，于是2号机错过了一齐投弹的机会。2号机的飞行员不得不独自重新搜索目标，估计自己已经冲过目标区的它朝西南方向转弯，在几分钟之后，它的飞行员发现了珍珠港湾口的海岸线，于是在21时30分，炸弹朝湾口的目标投下。
