Использование ПЛ в операции по уничтожению американского тихоокеанского флота в Перл-Харбор было предусмотрено специальным приказом по Объединенному флоту от 5.11.1941 г. На флот возлагалась задача перехвата крупных надводных кораблей противника на подходах к Гавайским о-вам и предотвращение попыток контратаковать соединение Нагумо. Пять лодок несли на себе карликовые ПЛ типа А, которые допжны были прорваться в гавань о. Оаху, посеять панику и атаковать корабли, уцелевшие после налета палубной авиации.

10.11.1941 г. I-9 (флаг Первой эскадры ПЛ, контр-адмирала Сато Цутому), I-15 и I-17 (1-й ДПЛ), I-25 (4-й ДПЛ) вышли из Куре и направились к атоллу Кваджелейн; I-7 (флаг Второй эскадры ПЛ, контр-адмирала Ямадзаки Сигетеру), I-1, I-2 и I-3 (7-й ДПЛ), I-4, I-5 и I-6 (8-й ДПЛ) вышли из Йокосуки и направились к атоллу Кваджелейн; I-8 (флаг Третьей эскадры ПЛ, контр-адмирала Мива Сигееси), I-68, I-69 и I-70 (12-й ДПЛ), I-71, I-72 и I-73 (20-й ДПЛ), I-74 и I-75 (11-й ДПЛ) вышли из Куре и направились к атоллу Кваджелейн. На I-5, I-6, I-7, I-8, I-9, I-15, I-17 и I-25 имелись бортовые ГСМ.

16.11.1941 г. I-10 (второй флагман Второй эскадры ПЛ), имея на борту бортовой ГСМ, вышла из Йокосуки и вдоль Алеутских о-вов направилась для проведения разведки к западному побережью США и о-вам в южной части Тихого океана.

18.11.1941 г. I-16 (флаг командира группы капитана 1 ранга Ханку Сасаки), I-18 и I-20 (2-й ДПЛ), I-22 (3-й ДПЛ) и I-24 (4-й ДПЛ) пришли на верфь флота в Куре для приема карликовых лодок типа А. Данное соединение (Группа Сасаки) должно было атаковать корабли противника в гавани о. Оаху. Эта операция встретила возражение адмирала Ямамото. I-9 (флаг Первой эскадры ПЛ), I-15 и I-17 (1-й ДПЛ), I-25 (4-й ДПЛ) пришли на атолл Кваджелейн и образовали Первую группу ПЛ контр-адмирала Сато Цутому, которая должна была патрулировать в районе к северу от о. Оаху и перехватывать корабли, попытавшиеся выйти из Перл-Харбор и контратаковать Соединение Нагумо. I-1, I-2 и I-3 (7-й ДПЛ), I-4, I-5 и I-6 (8-й ДПЛ), I-7 (флаг Второй эскадры ПЛ) прибыли на атолл Кваджелейн и образовали Вторую группу ПЛ контр-адмирала Ямадзаки Сигетеру, которая должна была с той же целью, что и Первая группа ПЛ, оперировать между о-вами Молокай и Оаху. I-8 (флаг Третьей эскадры ПЛ), I-68, I-69 и I-70 (12-й ДПЛ), I-71, I-72 и I-73 (20-й ДПЛ), I-74 и I-75 (11-й ДПЛ) прибыли на атолл Кваджелейн и образовали Третью группу ПЛ контр-адмирала Мива Сигееси, перед которой стояли те же задачи, что и перед первыми двумя группами, но район патрулирования находился к югу от Гавайских о-вов. Кроме того, I-71, I-72, I-73 (20-й ДПЛ) должны были 6.12.1941 г. произвести разведку якорной стоянки Лахайна на Мауи (один из южных Гавайских о-вов) с целью определить местонахождение боевых кораблей противника. После атаки Перл-Харбор ПЛ 3-й эскадры приказали оставаться в районе патрулирования — между побережьем США и Гавайскими о-вами, для действий против судоходства противника.

19.11.1941 г. I-26 (4-й ДПЛ), имея на борту штатный бортовой ГСМ, вышла из Йокосуки и направилась для проведения разведки к о-вам в юго-западной части Тихого океана. I-69 (12-й ДПЛ) вышла с атолла Кваджелейн и направилась для проведения разведки подходов к гавани Перл-Харбор.

25.11.1941 г. I-16 (флаг капитана 1 ранга Ханку Сасаки), I-18 и I-20 (2-й ДПЛ), I-22 (3-й ДПЛ) и I-24 (4-й ДПЛ) вышли из Куре и направились к о. Оаху (Гавайи), имея на борту карликовые ПЛ типа А. Кораблям предписывалось следовать в точку развертывания ночью, а днем находиться в подводном положении. Они шли самостоятельно, с интервалом в 20 миль.

26.11.1941 г. Соединения контр-адмиралов Сато Цутому, Ямадзаки Сигетеру и Мива Сигееси вышли с атолла Кваджелейн и направились к Гавайским о-вам. I-23 (3-й ДПЛ) вышла из Куре и направилась к Гавайским о-вам для поиска и атаки боевых кораблей противника.

27.11.1941 г. I-19 (2-й ДПЛ), I-21 и I-23 (3-й ДПЛ) вышли из Йокосуки и направились в район в 100–150 милях к северу от о. Оаху для спасения экипажей сбитых самолетов и противодействия возможным контратакам со стороны противника против соединения Нагумо.

1.12.1941 г. I-10 (второй флагман Второй эскадры ПЛ) у о-вов Фиджи обнаружила американский ТКР Astoria. I-19 (2-й ДПЛ), I-21 и I-23 (3-й ДПЛ) пришли на атолл Кваджелейн, заправились топливом и продолжили движение в район к северу от о. Оаху.

4.12.1941 г. I-24 (4-й ДПЛ), при движении в подводном положении, начала "проваливаться" из-за незакрывавшегося клапана одной из прочных цистерн. По другой версии, деформировалась нижняя торпеда карликовой ПЛ. Благодаря умелым действиям экипажа, кораблю удалось всплыть в надводное положение. В ночь на 5.12.1941 г. деформированную (по-видимому, из-за "провала" на предельную глубину погружения) торпеду карликовой ПЛ заменили на запасную.

5.12.1941 г. I-16, I-18 и I-20 (2-й ДПЛ), I-22 (3-й ДПЛ) и I-24 (4-й ДПЛ) прибыли в район в 100 милях к западу от о. Оаху и начали подготовку карликовых ПЛ к боевому использованию. ПЛ Первой, Второй и Третьей групп начали прибывать в назначенные районы патрулирования.

6.12.1941 г. Все японские ПЛ, участвовавшие в операции, закончили развертывание. I-16, I-18 и I-20 (2-й ДПЛ), I-22 (3-й ДПЛ) и I-24 (4-й ДПЛ) подошли ко входу в гавань Перл-Харбор на дистанцию восемь миль и выпустили свои карликовые ПЛ.

7.12.1941 г. Пять японских карликовых ПЛ предприняли попытку прорваться в гавань Перл-Харбор. Одна из них сумела пройти боновые заграждения незадолго до налета авиации Нагумо. Ее экипаж нанес на карту местоположение американских кораблей. Она выпустила торпеду, по-видимому, в ворота сухого дока, но промахнулась. В этот момент ее обнаружили с ГСМ, ошвартованного у причальной стенки, о чем сообщили на ЭМ Monaghan. ЭМ таранил ПЛ сразу после того, как она выпустила вторую торпеду, которая взорвалась в центре гавани, у о. Форд. ПЛ затонула со своим экипажем. Другую ПЛ у входа в гавань обнаружило патрульное судно Condor, и вскоре один из американских ЭМ потопил ее артиллерийским огнем. Третья ПЛ, из-за сломанного гирокомпаса, не нашла вход в гавань. На нее сбросили несколько глубинных бомб, взрывы которых привели к повреждению аккумуляторных батарей. Экипажу пришлось затопить свой корабль и сдаться американцам. Четвертая ПЛ при попытке уклониться от ЭМ Monaghan повредила рули глубины, экипаж оставил ее и также попал в плен. Пятая ПЛ пропала без вести. Во время атаки гавани Перл-Харбор карликовыми ПЛ, их носители оставались на позиции. I-24 после пуска своей ПЛ, из-за плохой дифферентовки выскочила на поверхность воды. I-19 (2-й ДПЛ, капитан 3 ранга Нарахара) к северу от о. Оаху торпедировала и тяжело повредила американское грузо-пассажирское судно (16458 т).

9.12.1941 г. I-18 и I-20 (20-й ДПЛ), I-24 (4-й ДПЛ), не дождавшись своих карликовых ПЛ, оставили район патрулирования и направились к атоллу Кваджелейн. I-16 (20-й ДПЛ) и I-22 (3-й ДПЛ) получили приказ обстрелять атолл Джонстон.

10.12.1941 г. I-6 в канале Кауай обнаружила идущий к о. Оаху АВ Lexington в охранении двух ТКР. Командир ПЛ сообщил об этом командующему Шестым флотом, находившемуся на ЛКР Катори у атолла Кваджелейн. Вице-адмирал Симидзу отдал приказ Третьей группе ПЛ контр-адмирала Мива Сигееси перехватить и уничтожить соединение противника. Корабли группы были вынуждены идти в надводном положении со скоростью 20 узлов. В этот момент I-70 (12-й ДПЛ) обнаружили и атаковали самолеты с АВ Enterprise, которые нанесли ей тяжелые повреждения. ПЛ не смогла погрузиться и, спустя три часа, была потоплена американскими палубными бомбардировщиками. Корабли Третьей группы не обнаружили АВ Lexington и возвратились в назначенный район патрулирования. I-72 (20-й ДПЛ, капитан 3 ранга Тогами) к югу от Гавайских о-вов потопила американское торговое судно (5113 т).