Met de B-25A was al een poging gedaan om de bemanning veiliger te maken. Maar er was een gebrek aan vuurkracht ter verdediging van het toestel. Achter op de rug en onder de romp werden Bedix elektrisch bediende geschutskoepels geplaatst. De koepel onder de romp was intrekbaar en werd bediend door middel van een op zijn knieën zittende schutter, een oncomfortabele positie voor langere periode. Het machinegeweer uit de staart werd verwijderd en er werd een kleinere glazen koepel ingezet als observatiepost.

Dat de engineers van North American in de Mitchell twee koepels kwijt konden zonder teveel verlies aan prestaties van de B-25 mag een wonder van techniek worden genoemd. Ook wist North American voor het eind van 1941 honderd B-25B’s te produceren. In totaal werden er 120 gebouwd waarvan 23 naar de RAF gingen als de Mitchell Mk I. Zeven B-25B gingen naar Brazilië. Er waren in eerste instantie 40 B-25B’s bestemd voor Nederland om te worden ingezet vanuit Nederlands Indië. Maar door de snelle opmars van Japan werden de toestellen ondergebracht bij de Amerikaanse 13th en 19th Bomb Squadron van de 3th Bomb Group.

Al snel na Pearl Harbor werd een plan opgesteld om Japan onverhoeds te treffen. Er waren al verschillende plannen gesuggereerd, maar Capt. Francis L. Low, officier Operaties onder Admiral King van de Navy Department werkte de eerste echte plannen, samen met King, uit in januari 1942. In eerste instantie was gekozen voor B-18 bommenwerpers om vanaf een vliegdekschip te starten, maar de reikwijdte van het toestel was te kort. Er was berekend dat de vliegtuigen minimaal 500 kilometer uit de kust gelanceerd moesten worden. De B-23 was een optie, maar de spanwijdte was te breed om het ‘eiland’ van het vliegdekschip te passeren. Ook de B-26 werd onderzocht, maar die had een lange starbaan nodig. De keus viel op de B-25B. Hap Arnold, generaal van de Army Air Force, was enthousiast voor het project en koos persoonlijk Lt.Col. James H. Doolittle om de toekomstige raid te leiden. Doolittle was een bekende Amerikaanse held die in 1925 de Schneider Trophy had gewonnen.

De bemanningen werden uit vrijwilligers gesorteerd, zonder te weten wat hun missie was, die al ervaring hadden opgedaan met de B-25. Zodoende kwamen de meeste mannen van de 17th Bombardment Group. Gedurende de maand maart werd er geoefend vanaf een stripje dat de lengte had van het vliegdekschip ‘USS Hornet’ dat aangebracht was op een baan van de vliegbasis Eglin Field, Florida. Het Norden bomrichtsysteem werd verwijderd. Het was op de lage hoogte die de operatie vergde nutteloos, verder was de Norden in die periode nog topgeheim en door deze aanval was het mogelijk dat Japan de Norden in handen kreeg. Captain C. Ross Greening stelde voor om het te vervangen door een simpele constructie uit twee stukken aluminium dat de naam ‘Mark Twain’ kreeg en niet meer koste dan 20 dollarcent. Captain C. Ross Greening kwam ook met het idee om twee bezemstelen zwart te verven en deze in de staart te plaatsten alsof het .50 machinegeweren waren, dit om eventueel overmoedige Japanse jagers af te schrikken. De onderste geschutskoepel werd op verzoek van Doolittle verwijderd om gewicht te besparen. En er werden extra brandstoftanks aangebracht. In plaats van standaard 2627 liter brandstof kon de B-25B van Doolittle zijn groep 4319 liter meenemen.

De bommenlast zou bestaan uit 1000 kg aan bommen per toestel. De meeste bommenwerpers hadden drie explosieve bommen van 250 kilo aan boord en één bom met brandbommen. Er waren 16 B-25B’s aan boord gebracht van de USS Hornet, één meer dan gepland. De extra B-25B was om de bemanningen te laten zien dat het heel goed mogelijk was om een Mitchell te laten starten vanaf een vliegdekschip. Menig piloot had weinig vertrouwen in de korte startbaan, ondanks hun training.

Taskforce 16 vertrok op 2 april 1942 vanuit San Francisco. In de middag werd iedereen verteld wat het doel was van hun missie,… Tokio, Japan! Op 3 april besloot Doolittle toch de extra B-25 aan boord niet te laten vertrekken naar het vasteland maar als reserve toestel mee te nemen. Op 10 april wist Japan, door onderschepte berichten, dat er een vlooteenheid richting Japan onderweg was, maar het doel was onduidelijk.

Op 18 april vingen radiobedieners berichten op van een Japans schip dat de Taskforce gezien had. Begeleidende kruiser Nashville wist het schip te zinken. Er van uitgaand dat de Japanners nu gewaarschuwd konden zijn, werd besloten direct te starten met de operatie. Tien uur voor het geplande vertrek verliet de eerste B-25B, met Doolittle als piloot, het rollende dek van de USS Hornet om 8.18 uur in de ochtend. Een hele prestatie voor een vliegtuig dat ruim 14.000 kg woog! Na een uur waren alle 16 B-25B's los van het dek. Bij de laatste start gebeurde nog een drama toen een man aan dek gegrepen werd door een draaiende propeller en zijn arm verloor.

Omdat men nu eerder gestart was dan berekend was het onzeker of de brandstof toereikend zou blijken te zijn om China te halen. De vlucht naar Japan was zonder problemen. Nabij Tokio werden enkele trainingsvliegtuigen gezien, maar geen Japanse jachtvliegtuigen. Ook het afweergeschut zweeg.

Het was rond twaalf toen Doolittle zijn B-25B optrok naar 1200 voet en zijn eerst bommen liet vallen. Al snel liet iedere bommenwerper haar last vallen op het doel en men vloog snel door richting China en Rusland. Maar het was een lange vlucht. In het donker kon men de uitgezette bakens niet vinden. Doolittle en zijn bemanning verliet na 13 uur de bommenwerper per parachute. Hij bleek in China te zijn geland. Ook de ander bemanningen verlieten hun toestel per parachute over China of maakten een noodlanding. Eén Mitchell dat sneller door de brandstof heen was, landde in Rusland. Toch vielen acht mannen in Japanse handen, waarvan drie geëxecuteerd werden op 15 oktober 1942, één stierf in gevangenschap, de laatste vier kwamen pas na de oorlog vrij.

De aanval op Tokio was een groot succes, niet vanwege de schade, maar vanwege de enorme geestelijke oppepper voor Amerika. Na de aanval hield Japan vier jachtvliegtuig groepen in Japan terwijl die eigenlijk dringend nodig waren in de strijd om de Stille Oceaan.

Doolittle keerde terug naar Amerika en ontving het Congressional Medal of Honor voor zijn inspirerende daad. Later zou Doolittle commandant worden van het 8th, de 12th en het 15th US Air Force.

Met de komst van de B-25C begon de productie pas echt goed op gang te komen van de Mitchell. Omdat de fabriek van North American ook de P-51 Mustang en de AT-6 Texan (Harvard) bouwde, was de ruimte beperkt geworden in Inglewood. In Dallas werd een nieuwe fabriek gebouwd om de B-25C te produceren. In totaal liepen er 1619 B-25C’s van de band. De fabriek in Kansas City werd erbij ingeschakeld waar de B-25D geproduceerd werd (2090 stuks). Tussen de 'C' en 'D' versie was weinig verschil, alleen kleine aanpassingen tijdens het fabricageproces. De motoren waren verbeterd door Wright R-2600-13’s op te hangen die 1700 pk leverden tegen de 1350 pk van de vorige modellen. Standaard kregen de Mitchells nu een auto-pilot, een aanvulling die voor het eerst werd gebruikt op de B-25B’s van Doolittle. Verder werd er ont-ijzing systeem aangebracht en cabine verwarming. Aan de buitenzijde was er weinig verschil te zien ten opzichte van de B-25B. Grootste verschil was te zien in de neus waar een vaste .50 machinegeweer naast de beweegbare werd geplaatst. Verder was er nu een astrodome voor de navigator boven op de romp aangebracht (vanaf het 383ste productietoestel). Onder aan de romp, aan de achterzijde, was een staartbumper gemonteerd. Als de extra bommenrekken werden gebruikt, kon er in plaats van 1500 kilo, wel 2500 kg aan bommen worden meegenomen.

367 B-25C’s werden aan de RAF geleverd als Mitchells II, hiervan gingen de eerste 39 naar het Nederlandse RAF 320 (Dutch) Squadron. In totaal vloog de Nederlandse eenheid met 41 Mitchells II. Ook gingen er 212 B-25D’s naar de RAF. 128 B-25C’s vonden bijna allemaal hun weg naar Rusland (8 gingen verloren tijdens de levering).

De B-25C stond bij de US Navy bekend als de PBJ-1C, waarvan er 50 geleverd werden. De P(atrol) B(omber) J(North American) –1(eerste patrouille bommenwerper) C(versie B-25C) kon een torpedo onder de romp vervoeren en raketten onder de vleugels. Verder was er in de neus een radar geplaatst en was er een machinegeweerpakket met twee .50 machinegeweren aan beide zijkanten van de romp aangebracht. De onderste geschutskoepel verviel bij de BPJ-1. Net als de C, werden er ook D-modellen aangepast voor marinegebruik, de PBJ-1D, waarvan er 152 werden geleverd.

Om effectiever tegen gronddoelen te kunnen opereren werden 97 B-25C/D's aangepast door, in plaats van twee, vier vaste .50 machinegeweren in de neus aan te brengen, waarna het plexiglas simpelweg werd overgeschilderd. Ook had dit type, de zogenaamde 'Strafer, een pakket aan beide zijden van de romp waarin twee extra .50 geplaatst waren. De koepel onder romp werd verwijderd, ook omdat deze weinig effectief bleek.

De aanpassingen werden door Lt.Col. Paul 'Pappy' Gunn en Jack Fox (van North American) bedacht en door de monteurs van het 4th Air Depot in Townsville, Australië uitgevoerd. Onder de naam 'Strafer' deden deze toestellen hun werk in de Stille Oceaan tegen Japanse doelen.

Op de onderste foto is een B-25C (of D) Strafer te zien van 405th Bomb Squadron, 38th Bomb Group in Nieuw Guinea. Duidelijk is de overgeschilderde neus te zien met de vier .50 machinegeweren.