B-17D编队以密集编队飞行，每架飞机上的十三挺重机枪组成了一个几乎没有死角的火力网。九七式战斗机一靠近编队，就遭到猛烈的集火射击。
一架九七式战斗机试图从下方攻击，被B-17D的机腹炮塔发现，双联装重机枪一个长点射，打中了它的发动机。九七式拖着黑烟掉下去，飞行员没有跳伞。
另一架一式战斗机从侧后方接近，刚打出两发二十毫米炮弹，就被三架B-17D的上方炮塔和侧面炮塔同时瞄准，几十发重机枪子弹把它打成了一团火球。
与此同时，第三波轰炸开始。
五十架B-17D轰炸的是高射炮第131联队的阵地。大量的燃烧弹和破片弹落在高炮阵地上，三十六门八十八毫米高射炮被炸掉了大半，操作这些高炮的士兵被破片和冲击波大量杀伤。
地面的防空火力明显减弱。
第四波轰炸机趁这个机会，对钢铁厂的原料场和铁轨进行了补充轰炸。堆积如山的铁矿石和焦炭被炸得四散飞溅，铁轨被炸断，运输系统彻底瘫痪。
空战还在继续。
北九州航空战队的战机已经损失过半。剩下的十几架战斗机虽然还在攻击，但在B-17D密集的防御火力面前，始终无法突破编队的防线。
四架B-17D在空战中被重伤，都是被二十毫米炮弹击中了关键部位。其中三架的机长选择了撞向地面的目标，另一架因为两名飞行员牺牲，剩余的机组成员中有一名机械师接管了操控，也操控着飞机撞向了一处仍在开火的防空炮位。
最后一架日机撤离时，八幡制铁所已经面目全非。
八座高炉里有五座被炸毁或严重损坏，焦炉和轧钢车间全部停工，原料场和运输线被摧毁，高射炮第131联队的战斗力基本丧失，航空战队的二十五架战斗机只剩下了九架还能飞。
八幡制铁所的钢铁产量，至少在未来一年里都无法恢复到战前水平。