第１次攻撃隊がそれぞれの母艦から飛び立って約１時間後の日本時間１２月８日午前２時４５分、第２次攻撃隊がオアフ島に向け発進した。指揮官は空母「瑞鶴」飛行隊長の島崎重和少佐で、水平爆撃隊（９７式艦上攻撃機）５４機、急降下爆撃隊（９９式艦上爆撃機）７８機、制空隊（零式艦上戦闘機）３５機の合計１６７機で構成されていた。
　カフク岬を確認した第２次攻撃隊はオアフ島の東側を通り、水平爆撃隊の一部がカネオヘ海軍飛行場の攻撃に向かったほか、残り全機が真珠湾とヒッカム飛行場を目指した。真珠湾上空で攻撃を開始したのは同午前４時３２分からだったが、１次攻撃による火炎や煙で目標が見えづらく、急降下爆撃隊の中には、対空砲火の弾道をたどって、まだ戦闘能力を維持している目標を探すといった無理のある攻撃をしかけたケースもあった。
　米軍側も１次攻撃のショックから態勢を立て直しつつあり、第２次攻撃隊は激しい反撃を受けた。未帰還機は、第１次攻撃隊が９機だったのに対し、第２次攻撃隊は２０機と倍以上の損害を受けている。