三月九日，日本海军出动的两艘战列舰金刚号和榛名号，在八云号和磬手号两艘老式装甲巡洋舰，刚刚在本土完成战损修理的熊野号重巡洋舰、夕张号轻巡洋舰。
以及六艘驱逐舰，三艘扫雷舰和九艘驱潜艇的配合，以及刚刚完成抢修的翔鹤号航空母舰，由水上飞机母舰改装的千岁号航空母舰，四十五架零战提供的空中掩护之下，对天津周围的北塘、大沽一线实施了大规模的炮击。
两艘战列舰共发射七百余发三百五十六毫米炮弹，连同熊野号重巡洋舰共计发射两千多发二百零三毫米和一百五十毫米炮弹。至于一百二十毫米炮弹和中小口径炮弹，更是不计其数。在日军大规模的炮击之下，整个北塘至大沽口一线被炸的一片狼藉。
由于抗联的航空兵，此刻都集中在南线，对正在向战区开进的日军各个师团，实施空中拦截。所以对于此次日本海军的炮击行动，并未实施空中打击。至于陶净非部署在北塘至大沽一线的地面炮兵，与日军舰炮的射程相差太远，所以也没有进行任何的还击。
日军这支舰队在炮击了整整一个下午，几乎打光了所有携带的炮弹之后。留下夕张号轻巡洋舰指挥驱逐舰，对天津沿海实施监控并保护驻泊在天津外海的两艘航母之外，主力舰队则返回旅顺口补充炮弹。