八时五十五分，开始第二波攻击。日军战斗机首先对空中的零星美机进行攻击，以确保掌握制空权。
日机见有美机迎战便仓卒逃走，美机猛扑过去，桑德斯对领队日机开火，日机立刻冒着浓烟，摇摇晃晃地坠海。
空袭开始不久，夏威夷医药协会总会便接到救护伤员的紧急电话，二十分钟里，医生和志愿者就已经把担架和医疗器械装上汽车，直奔现场。汽车大队的妇女驾驶着每辆可用的汽车，搭载兵员驰往珍珠港。公路上的情况已是一片混乱，军方车辆、消防车、救护车和几百辆运送官兵奔赴作战岗位的计程车，塞满了十千米长的公路上，喇叭声响彻云霄。汽车大队的女驾驶员表现尤其出色，真可谓巾帼不让须眉。受伤的官兵被紧急送往翠普勒陆军医院，院方急召檀香山的医生参加救护，正巧有五十名医生正在听纽约的约翰。穆尔黑德博士讲解战时外科手术，立刻赶往医院，投入救护工作。穆尔黑德博士刚示范过一项新医疗仪器，能很快测出人体内金属。那天早晨，这种仪器表现出巨大价值，节省了许多等待冲洗Ｘ光底片的宝贵时间。
在海军医院，原来在院内治疗休养的病人被送到外面的临时病房，为由担架抬来的受伤人员腾出病床。许多年轻的水兵断臂缺腿，还有几百名被烈焰灼伤。这些年轻人的勇气令人难以置信——病房里满是伤患人员，许多人伤势严重甚至已经奄奄一息，但却是一片静寂，无人呻吟。
在第一攻击波后，美军已做好了战斗准备，因此第二波遭到了较为猛烈的高射炮火射击。有２０架日机被击落，其中战斗机６架，轰炸机１４架。
九时四十五分，第二波的飞机开始返航。渊田驾机绕珍珠港低空盘旋一周拍摄了被炸后的情景，才最后一个返航。
十时，由哈尔西中将率领的以“企业”号航空母舰为核心的特混舰队，完成向威克岛运送增援战斗机的任务正在返回珍珠港的途中，接到太平洋舰队司令金梅尔上将的命令，向南追击日军舰队。这一命令是根据一连串错误的报告和无线电定位下达的，幸亏是错误的方向，不然，哈尔西的这支小舰队要是真的同日军舰队交手的话，肯定会被日军消灭，那么就不可能有日后在太平洋上立下赫赫战功的哈尔西和“企业”号航空母舰。徒劳无功的哈尔西率领舰队于１２月９日下午才返回珍珠港。
十一时，医院血库的血浆存量锐减，福雷斯特。平克顿医生立即广播呼吁献血。半小时内已有五百人聚集在医院门外等候献血，医护人员分十二个地点验血、抽血，但仍感人手不足，有的人竟然足足排了七个小时才献上血。
１２月１２日，返航途中的突击编队接到山本的命令，派出若干兵力支援威克岛登陆作战。根据这一命令南云抽调航母、巡洋舰和驱逐舰各２艘，前去支援威克岛登陆作战，自己率主力继续返航。
后来接替金梅尔继任美国太平洋舰队司令的尼米兹上将认为南云把突击时间限定为一天，突击目标又限定在有限范围里，没有最大限度利用这一来之不易的绝好机会。山本五十六评价南云是个庸材，说他在指挥时就象小贼入室行窃，开始时志在必得，胆大包天，稍一得手便心虚胆怯急于溜走。由于日军没有进行第三次攻击，而前两次攻击中日军又只重视对军事目标的打击，根本没有攻击珍珠港各种修造船设施齐全的造船厂和储存有４万加仑燃油的油库。日后美军正是利用造船厂的设备迅速打捞修复受创的军舰，正是利用油库的燃油使得航母频频出击，在短时间里恢复了太平洋舰队的战斗力。设想一下，日军即使只炸毁了油库，也足以让完整无损的太平洋舰队在六个月里无法出动。这是日军在这次偷袭中最大的失误！
当日军飞机开始轰炸后，潜入珍珠港的日军伊—１６号袖珍潜艇由横山正治中尉和上田定二军士长驾驶也趁火打劫，发射两枚鱼雷均未击中目标，并于晚二十二时许向母艇发出攻击成功的电报，后被美军击沉。伊—２４号袖珍潜艇在港口入口处被美舰发现，遭到攻击后带伤逃脱，由于伤势较重操纵失控，致使两次触礁，加上畜电池电力耗尽，无法发射鱼雷，两名艇员只好弃艇。其他的两艘袖珍潜艇都先后在珍珠港的入口处被美军击沉。这支特别攻击队的十名艇员中只有伊—２４号艇的艇长酒卷和男少尉侥幸生还，成为太平洋战争中第一个被美军俘虏的日军。
日军部署在珍珠港周围共有２０艘潜艇，一来用于侦察监视，二来准备伏击在空袭时企图出港躲避或是追击日军舰队的美舰，由于在空袭时并无美舰出港，所以未有战果。倒是“伊—７０”号潜艇在１２月９日下午跟踪返航的美军“企业”号航空母舰编队时被美军飞机发现后击沉，艇上６８名官兵无一幸存。其余潜艇在攻击结束后陆续撤离珍珠港。
整个空袭行动持续约两小时，真正的攻击时间约一小时三十分。日军共消耗鱼雷４０条，各种炸弹５５６枚，总计约１４４吨。战斗中损失飞机２９架，由于日军飞行员都抱着必死的决心，全都不带降落伞，所以机上５５名飞行员全部阵亡。加上起飞时有１架飞机因故障坠毁，返航时有２架飞机因迷航而坠毁，总共损失飞机３２架。还损失１艘大型潜艇和５艘袖珍潜艇，阵亡艇员７７人，被俘１人。总计人员损失１３３人。
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