行动开始前，整个计划被严格保密。苏联机械师对轰炸机进行了认真细致的检查，油箱里注满煤油，但炸弹直到起飞前才挂上飞机。为迷惑潜伏在汉口的日本间谍，中苏空军故意散布各种假消息，声称驻汉口的中苏空军将要轰炸安徽省安庆附近江面上的日本军舰。
2月23日，恰好是苏联红军节。清晨，28架轰炸机完成加油、挂弹和预热，做好了出征的充分准备，机组成员在飞机旁集结完毕。苏联军事顾问德拉特文和空军武官日加列夫上校也来到机场，主持了一个正式的出发仪式。7时整，随着一颗信号弹升空，一架架轰炸机依次起飞，很快消失在云层中。
“缺氧攻击”出奇制胜
SB轰炸机群在4800米高空排成队列，由于有薄雾遮挡，飞行员的能见度不到2000米，机舱内温度计的读数显示气温只有4摄氏度。在高空飞行不久，缺氧的初步症状（如脉搏加快、头昏、瞌睡等）开始出现了。机群飞过长江和鄱阳湖，云层开始变得稀疏。又过了一小时，机群飞过福州。遗憾的是，计划会合的南昌编队一直没有出现。后来才知道，由于领航员计算错误，南昌编队因偏离航线不得不返航。
15分钟后，飞行员们在烟雾中看到了海岸线。领航员伊凡·布鲁斯科夫回忆说：“起初天气很好，我们在5500米高度飞行。飞了一半后，我们在海峡上空将飞行高度降至4100米。在接近台湾时，我们发现岛屿东部覆盖了厚厚的云层。正当我打算根据飞行时间准备攻击时，云层中突然出现一扇‘大窗’，台北市区出现在视野里，在其北部3公里处就是目标区域……”波雷宁带领编队转向那片晴空，轰炸机开始减速、俯冲。由于担心遭到日军战机的拦截。轰炸机上的炮手紧张地搜索敌机，但令人惊奇的是，居然一架敌机也没有，地面上的高射炮也保持沉默。很显然，日军地面观察哨认为正在接近的机群是自己人。
当时的松山基地中，战斗机整齐地排列成行，机库与巨大的储油罐延伸到机场的尽头，装满飞机零件的灰色大箱子摆得到处都是，狂妄的日寇甚至没有做任何伪装。SB轰炸机在3000米高度投下第一批炸弹，这些炸弹落到那片机群中，绽放出复仇的烈焰，有2架日军战机发现情况不妙，试图冒着纷落的炸弹起飞，却被炸个正着。随后的第二波爆炸把储油罐也掀到了天上。
轰炸机群共投下了280颗炸弹，日军的高炮直到轰炸临近尾声才开始零零星星地射击，但这已经太晚了。飞行员费德尔·巴雷宁回忆说：“我们的飞机在非常平静的状态下执行攻击计划。扔完炸弹后，飞行员们还用机枪扫射那些没被炸弹击中的飞机和防空点……”
“向工农红军致敬”
完成任务的SB轰炸机开始返航。尽管福州附近的山地机场跑道狭窄，且被山地和沼泽包围，但所有轰炸机都安全着陆了，地勤人员开始为飞机加油。但由于各种原因，加油速度比波雷宁期望的慢了不少，他担心日军的反击会随时到来。此外，他们还面临一些其他问题：飞行员科列夫索夫驾驶的飞机在海峡上空左发动机熄火，他不得不驾驶“瘸腿”的飞机返航；飞行员西尼琴则因严重缺氧，只能让后备飞行员驾机。
天黑时，轰炸机群返回汉口机场，一名中国军官在机场等候他们。由于这次行动严格保密，这位军官就是被派来了解详情的。由于语言不通，波雷宁刚从机舱里出来，这位军官就迫不及待地递过一本地图，希望知道轰炸的目标和战果……
很快，突袭成功的消息在武汉传开。在离开机场的路上，志愿飞行员们看到路边挤满兴奋的人群，他们拼命挥动双手，大声喊着“好，好！”第二天中午举行了热烈的庆功宴，宴会以一个巨大的蛋糕作为结束，蛋糕上用俄文字母写着“向工农红军志愿飞行员致敬”。
松山机场遭袭令日军大吃一惊。空袭中约有40架日军飞机被摧毁，大量飞机部件在包装箱内就被彻底摧毁了，机库和可使用三年的储备物资与油料被付之一炬，松山机场在一个月内无法使用。为此，日军基地指挥官被勒令自杀。