LeMay kommanderede efterfølgende B-29 Superfortress kampoperationer mod Japan, herunder massive brandbomberangreb på 67 japanske byer og atombomberne på Hiroshima og Nagasaki. Dette omfattede
ildbombningen af Tokyo kendt i officielle dokumenter som "Operation Meetinghouse" luftangrebet om natten den 9. til 10. marts 1945, som viste sig at være den mest ødelæggende bombning af krigen. For dette første angreb beordrede LeMay, at de defensive kanoner blev fjernet fra 325 B-29'er, ladt hvert fly med Model M-47 brandbomber, magnesiumbomber, hvide fosforbomber og napalm, og beordrede bombeflyene til at flyve i strømme over Tokyo. LeMay beskrev Operation Meetinghouse ved at sige, at "USA endelig havde holdt op med at slå på fluer og gik efter gødningens bunke".