渊田率领的首轮空袭历时约四十五分钟，成功达成主要目标后撤离，日军方面共损失九架飞行器，包括三架战斗机、一架俯冲轰炸机及五架鱼雷机。珍珠港随后陷入短暂的沉寂之中。不久，数艘涂有白底红十字标记的救援船只迅速穿越硝烟，不顾危险全力靠近起火燃烧的舰艇，执行伤员撤离任务。但是，危机并未就此解除。就在首轮攻击机群返航之际，夏威夷时间上午8时50分，由“瑞鹤”号航空队队长岛崎重和少佐指挥的第二波空袭编队，共计171架战机，猛烈扑向瓦胡岛。正在目标区域上空盘旋的渊田随即捕捉到第二波机群的引擎轰鸣，并于8时54分接收到岛崎重和发出的“虎！虎！虎！”攻击信号，标志着新一轮攻势的开始。

8时50分，第二波攻击编队在卡瓦库角全面展开，此时突袭元素已不复存在，日军策略性地调整了部署，将原本易遭打击的鱼雷机（中岛97式舰攻）转用于高空水平轰炸任务。岛崎亲自指挥54架高空轰炸机，分为两队，每队27架，分别针对希卡姆、卡内奥赫及福特机场发动攻击；江草隆繁少佐则率领81架俯冲轰炸机，未设特定目标，灵活打击首轮空袭未能摧毁的舰艇，它们编成四个中队，绕行东侧山脉，对舰艇实施第二轮集中轰炸。由于任务灵活性高，加之现场烟雾弥漫，严重影响了攻击精度与效率。同时，进藤海军大尉指挥的36架零式战斗机，亦分为四队，继首轮之后，持续巩固瓦胡岛上空的制空权。此时，珍珠港上空被首轮空袭产生的浓厚烟雾笼罩，能见度极低，既阻碍了美军的反击与救援行动，也增加了日军后续攻击的复杂性。岛崎面对如此状况，深感抉择艰难，高空作业虽能避开低空威胁，却也增加了目标锁定的难度。在军事行动的精确性与安全性考量下，飞行高度成为关键制约因素：过高则射击精度受限，过低则危机四伏，且浓烟中难以有效辨识目标。同时，美军幸存者利用日军首轮攻势的间歇迅速集结，在指挥官统一部署下，激活所有防空力量，于珍珠港上空编织起密集的防空火力网。面对此景，日军轰炸机遭遇的是全面警戒、严加防范的美军舰艇群。受损舰艇纷纷启动高射炮，实施同步对空射击，形成密集交错的弹幕屏障。舰员亦不甘示弱，攀上舰桥及制高点，以机枪、步枪等武器进行防御性射击，抵御俯冲攻击的敌机。

高射炮制造的烟雾群意外成为日军新的攻击参照点，江草少佐率领的80架俯冲轰炸机群，趁此机会冒险穿越弹幕，精准规避火力，直逼舰艇。一旦锁定清晰目标，便展开猛烈轰炸。山田昌平大尉在“赤城”号上，专注于挑选大型舰艇作为攻击对象，一发现密集烟雾便急不可耐地率领中队发起冲锋，却误将陆上炮台当作舰艇，随后懊恼撤退，继续搜索有效目标。日军第二轮攻击进一步加剧了珍珠港的混乱与破坏，浓烟滚滚，爆炸频繁，巨大的火球与黑烟腾空而起，空气中弥漫着火药与血腥的刺鼻气息，令人窒息。在这场混战中，美军“内华达”号战列舰的英勇突围尤为瞩目。尽管在第一波空袭中遭受重创，但凭借顽强的生命力与弗朗西斯•汤姆斯少校的果断指挥，“内华达”号非但未沉，反而尝试突围。其处境异常艰难，不仅自身成为日军下一个攻击焦点，邻近的“亚里桑那”号废墟也构成巨大威胁。在如此绝境下，该舰的英勇行动成为了美军不屈精神的象征。在熊熊烈焰的包围下，军舰面临即将爆炸的极端危险，汤姆斯少校果断下令紧急启航，以保全舰艇免遭全面摧毁。水手长埃德温·希尔接令后，英勇无畏地冲进火海，跃上码头，迅速解除系泊，确保“内华达”号能够迅速脱离险境。希尔非但未选择逃避，反而在完成使命后再次跃入水中，游回自己的军舰，坚守岗位。随后，在一次大爆炸中，他因准备抛锚而不幸失踪，成为珍珠港事件中第十四位荣获荣誉勋章的英勇军人。一旦脱离即将爆炸的“亚里桑那”号，“内华达”号在万众瞩目中加速驶离，其勇往直前的姿态极大地鼓舞了在场的美军官兵。可是，真正的挑战才刚刚开始，“内华达”号必须穿越海军造船厂前狭窄且危险的水道。此时，“加贺”号机群锁定目标，自南向该舰发起猛烈攻击，意图通过击沉“内华达”号封锁珍珠港出口，阻断其他舰艇的撤离路径。

日军牧野三郎大尉率领的俯冲轰炸机群，采用战术分散，从西南顺风与东南逆风两个方向交替攻击，以规避美军密集的防空火力。在敌机轮番轰炸下，“内华达”号舰首首当其冲，火势迅速蔓延。即便如此，该舰仍坚持航行并全力反击。但面对如冰雹般密集的炸弹，最终“内华达”号多处中弹，甲板燃起熊熊烈火，船尾逐渐下沉。面对可能沉没并阻塞港口的危机，汤姆斯少校迅速决策，下令改变航向，向左驶向“医院角”海滩，主动选择搁浅，以避免对后续舰艇撤离造成阻碍。在危机四伏的海域中，这一决策展现了高度的冷静与牺牲精神。在日军猛烈的轰炸之下，驱逐舰“萧”号于浮动船坞内陷入熊熊烈火之中，同时，停泊于“十十码头”附近的“阿罔”号亦遭受重创，烈焰肆虐。一号干船坞内的“凯兴”号与驱逐舰“唐纳斯”号亦被炸得浓烟滚滚，遮天蔽日。此刻，“内华达”号战列舰前半部已全然被大火吞噬，汤姆斯指挥官率剩余官兵竭力规避主航道，然珍珠港强大水流却迫使该舰尚存浮力的尾部漂向航道，最终于霍皮斯特尔角搁浅。直至10时45分，拖船方将其牵引至入口航道西侧。尽管“内华达”号幸免于沉，但其舰首已全然毁坏，舰桥亦遭受重创，总计3名军官与47名士兵英勇牺牲，109人负伤。

与此同时，千磐大尉率领的机队于牧野机队攻击“内华达”号之际，亦对福特岛西北岸停泊的舰艇实施了打击，甚至将火力延伸至医疗舰“慰藉”号。千磐麾下的俯冲轰炸机锁定并围攻了水上供应舰“寇蒂斯”号，后者泊于福特岛西侧水域。攻击过程中，一架日军俯冲轰炸机失控，直接撞击“寇蒂斯”号，引发冲天火光。随后，于9时12分，“寇蒂斯”号甲板再遭一枚炸弹直击，该弹穿透三层甲板，在后主甲板上爆炸，引发剧烈火灾。“内华达”号突围失败后，“萧”号驱逐舰火势愈发猛烈，火舌迅速蔓延至舰首，终在9时30分引发前弹药库大爆炸，爆炸产生的火球直冲云霄，高达百米，碎片飞溅至数百米之外。此前第一波攻击中幸存的美军舰艇随后遭遇第二波更为猛烈的袭击，“西弗吉尼亚”号因此陷入火海，火势持续至当日夜晚。相比之下，“田纳西”号虽再次遭遇两枚炸弹命中，但均未造成重大损害。而“亚里桑那”号则成为潜在威胁，其泄漏的燃油对周边船只安全构成严重威胁。在诸多潜在目标中，“苍龙”与“飞龙”号航母编队的部分机群精确选定海军造船厂为攻击焦点。领队的俯冲轰炸机飞行员江草率先突入船坞修理厂区域，针对正在进行维修的巡洋舰“新奥尔良”号发起攻击。尽管直接命中未遂，但所投炸弹的碎片仍在该巡洋舰上造成了26处损伤，伤口直径范围自1英寸至6英寸不等，显著削弱了其防御能力。攻击期间，造船厂电力供应中断，导致舰上5英寸口径火炮不得不转为人力操控，此时，随舰牧师荷维尔•福吉上尉积极鼓舞士气，其号召“赞美主，竭力输送弹药”迅速传播，成为激励士气的重要口号之一。另一巡洋舰“檀香山”号亦未能幸免，试图于9点15分脱困，却于9时20分遭遇来自“苍龙”号航母、由一级士官加藤驾驶的俯冲轰炸机自西南方向发起的精准打击。加藤的炸弹精准命中“檀香山”号停靠的码头，穿透船坞壁障，触发了该舰内部爆炸，导致其船体严重扭曲变形。值得注意的是，在此两轮猛烈空袭中，美国海军战机未能有效升空迎战，而陆军“夏威夷空军”飞行员则展现出非凡的坚韧与英勇，他们在敌机密集轰炸与拦截中勇敢起飞，成功击落大量日机，占比高达日军战损总量的一半。尤为突出的是，第57驱逐中队五位飞行员，面对基地遇袭的紧急情况，迅速自惠勒基地驱车赶赴哈雷瓦机场，即便途中遭遇“零”式战机的火力威胁亦不退缩。抵达后，他们利用有限的5架P-40与1架P-36A战斗机，顽强升空作战，共计击落7架敌机，其中肯尼斯•泰勒少尉以独力击落两架飞机的战绩尤为显赫。

此外，珍珠港周边民众亦展现出强烈的爱国情感与自救精神，不顾敌机肆虐的危险，纷纷投身于灭火与救援行动之中，展现了团结一心、共克时艰的坚定信念。民众自发使用步枪与手枪对日军飞机进行反击。上午11时，医院血库告急，平克顿医生迅速通过广播发起献血倡议。短时间内，五百余名志愿者聚集于医院外排队等候，医疗团队在十二个站点同步进行血液检测与采集工作，然人员配置仍显紧张，部分献血者等待时间长达七小时。第二轮空袭持续约一小时，巩固并扩大了首轮攻击的战果。随着零星爆炸声渐息，空袭宣告结束。此次行动中，日军共折损飞机二十架，包括六架战斗机与十四架俯冲轰炸机，另有数架轰炸机虽受损却侥幸逃脱。袭击过后，现场沦为一片人间炼狱，火焰肆虐，灰、棕、黑三色烟雾交织，陆地遍布鲜血、残骸与遗体，水域中漂浮着美军将士的尸身，随波逐流，景象凄惨。渊田在美军基地上空持续盘旋，评估战果并集结失散机组，其受损飞机在珍珠港上空滞留近两小时，直至确认所有日军战机撤离，方返航“赤城”号。此次由日军航母起飞的飞机对珍珠港实施的两轮猛烈轰炸，历时共计一小时五十分钟，取得了决定性战果，导致美国太平洋舰队遭受前所未有的重创：四十余艘舰艇受损或被击沉，其中战列舰四艘沉没（“亚利桑那”号、“俄克拉荷马”号、“西弗吉尼亚”号及“加利福尼亚”号），四艘受伤（“马里兰”号、“内华达”号、“宾夕法尼亚”号及“田纳西”号）；另有三艘驱逐舰、一艘巡洋舰及四艘辅助舰沉没，三艘轻巡洋舰与一艘水上供应船重伤；美军飞机损毁共计二百三十二架，受伤一百六十三架；美军伤亡人数接近四千五百人，其中死亡二千四百零三人，近半数遇难者来自沉没的“亚利桑那”号，另有二千零九十七人受伤。

希卡姆、惠勒、福特岛、卡内欧黑及伊瓦等机场的设施与航空器均遭受了严重破坏。总体而言，美军珍珠港基地的大型军舰折损近半，飞行器损失高达七成，导致美国太平洋舰队遭受重创，几乎丧失整体作战能力，其战斗力急剧下降至原先的一至二成之间，此损失规模远超美国海军在第一次世界大战期间的总损耗。相比之下，日方伤亡极为有限，共投入鱼雷40枚，各类炸弹总计556枚，重约144吨。此役中，日军失去飞机29架，由于执行任务的飞行员均抱持必死信念，未携带降落伞，致机上55名飞行员全部牺牲。另加起飞阶段因故障坠毁的1架及返航途中因导航失误损失的2架，总计损失飞机32架。此外，还损失了1艘大型潜艇与5艘袖珍潜艇，阵亡艇员77人，另有1人被俘。综上所述，日军在此次行动中的人员损失总计为133人。