Непосредственно перед нападением японцев на Перл-Харбор, в начале декабря 1941 года, в распоряжении USAAC имелось 13 групп тяжелых бомбардировщиков, но в составе большинства из них имелось гораздо меньше положенных 32 машин. Многие из групп имели на вооружении Douglas B-18 - военную версию коммерческого транспортника DC-2, которые еще до начала войны были признаны не пригодными для участия в боевых действиях. В составе групп было приблизительно 150 B-17 в основном моделей С и D, хотя имелось небольшое количество B-17E.

Из-за углубляющегося кризиса на Tихом океане большинство B-17 было развернуто за границей. 6-я BG (Bombardment Group - бомбардировочная группа), базировавшаяся в зоне Панамского канала имела восемь B-17B и в течение первой недели декабря получила восемь самолетов новой модели B-17E. 42-я разведывательная эскадрилья (Reconnaissance Squadron) на Ньюфаундленде имела в своем составе шесть B-17B. 7-я BG в Солт-Лэйк Сити (штат Юта) имела 35 B-17E и вела подготовку к переброске на Дальний Восток. Шесть B-17C и 29 B-17D находились на Филиппинах в составе 19-й BG. 14-я эскадрилья 19-й BG прибыла на Clark Field в сентябре 1941 года и еще две эскадрильи прибыли на Филиппины в октябре. 5-я BG на базе Hickam Field (Гавайи) имела 12 B-17D. Другие шесть BG USAAC имели в своем составе 12 YB-17, 22 B-17B и пять B-17C. 

7 декабря четыре B-17C и два новых B-17E 38-й разведывательной эскадрильи взлетели с аэродрома Hamilton Field (штат Калифорния) и направились на Филиппины через Перл-Харбор. Ни один самолет не был вооружен. Командиром соединения был майор Трумэн Ландон (Truman H. Landon). Именно за эти самолеты операторы американских РЛС приняли приближающиеся японские самолеты. Самолеты достигли Перл-Харбора уже в ходе боя. Несколько машин сумели приземлиться на короткой взлетно-посадочной полосе для истребителей на аэродроме Haleiwa, один сел на поле для гольфа, а остальные сели на аэродром Hickam под огнем японских самолетов. 

В ходе налета на Hickam Field находились все двенадцать B-17D 5-й BG. Пять из этих B-17 были полностью разрушены, а восемь были повреждены. 

B-17E 7-й BG 5 декабря взлетели с базы в штате Юта и направились на Дальний Восток. Шесть из них прибыли на Гавайские острова вскоре после атаки Перл-Харбора, а остальные были задержаны в США для защиты Калифорнии от ожидавшейся атаки японского флота на Санта-Барбару (Santa Barbara). 19 B-17B были направлены в Spokane для защиты северо-западных районов США и два B-17B были направлены в штат Аляска. 

Известие о атаке Перл-Харбора достигло Филиппин приблизительно в 3 часа ночи 8 декабря. Согласно предварительно согласованному на случай начала военных действий плану Flying Fortress 19-й BG должны были немедленно атаковать японские базы на Формозе (ныне о-в Тайвань). К 8 декабря USAAC имели на Филиппинах 35 B-17, две эскадрильи на Clark Field на острове Лусон (Luzon) с общим количеством 19 самолетов и две эскадрильи с 16 B-17 на базе Del Monte на острове Минданао (Mindanao), расположенном в 500 милях южнее Филиппин. 

По неизвестным до сих пор причинам запланированный налет на Формозу был отсрочен. Вместо этого для предотвращения уничтожения на земле возможными атаками японских самолетов, все пригодные к полетам B-17 на Clark Field были подняты в воздух и патрулировали океан вокруг Лусона. Тем временем генерал Льюис Бреретон (Lewis H. Brereton) и командующий воздушными силами генерал МакАртур наконец получили разрешение выполнить атаку японских баз на Формозе, и B-17 был отдан приказ вернуться на Clark Field. После посадки три Flying Fortress были оборудованы фотокамерами для разведки, а остальные загружены 300- и 100-фунтовыми бомбами.

Когда три фоторазведчика B-17 начали выруливать для взлета, Clark Field атаковали приблизительно 200 японских самолетов. В момент атаки все истребители P-40 были отозваны для дозаправки и находились на земле. Атака была очень эффективной. Все В-17 кроме одного были разрушены или повреждены на земле. Единственный уцелевший В-17 находился в воздухе в то время как остальные готовились к налету на Формозу. Поскольку Del Monte были вне дальности полета истребителей Zero, то В-17 на Минданао остались нетронуты.

Из числа поврежденных на Clark Field B-17 три или четыре машины удалось отремонтировать и вернуть в строй. Впоследствии они были соединены с B-17 из Del Monte. К 9 декабря В-17 19-й BG принимали участие в поисках кораблей японского флота. 

10 декабря 1941 года был обнаружен японский конвой и для атаки были направлены пять B-17. Этот вылет стал первой бомбардировкой выполненной американскими самолетами в ходе второй мировой войны. В-17 не встретили никакого сопротивления и добились нескольких попаданий в транспорты.

В тот же самый день B-17C пилотируемый капитаном Колином Келли (Colin P. Kelly) с большой высоты сбросил бомбы на корабль, который экипаж принял за японский линейный корабль. Были зарегистрированы попадания и наблюдался сильный взрыв. Самолет Келли был немедленно атакован истребителями А6М Zero, один из которых пилотировал Сабуро Сакаи (Saburo Sakai), ставший впоследствии известным асом. Самолет был тяжело поврежден, но Келли попытался дотянуть до Clark Field. Видя, что это не удастся он приказал экипажу покинуть самолет, но прежде чем сам Келли успел покинуть В-17, он взорвался и Келли погиб.

После опроса уцелевших членов экипажа был сделан вывод, что в ходе атаки Келли потопил японский линейный корабль Haruna. Указом президента Франклина Рузвельта (Franklin Roosevelt) капитан Келли за проявленный героизм был посмертно награжден Distinguished Service Cross (Крест за отличную службу), а эта атака широко освещена в печати. Однако после войны выяснилось, что Haruna никогда не был в 1941 году в районе атаки Келли. Наиболее вероятно, что Келли атаковал крейсер Ashigari, поскольку он был единственным японским кораблем, поврежденным в тот день.
К 14 декабря из первоначальных 35 B-17 на Филиппинах осталось только14 машин. Все они были размещены в Del Monte за пределами радиуса действия японских самолетов. 17 декабря началась эвакуация уцелевших B-17 из Del Monte на базу Batchelor Field около Дарвина (Darwin) в Австралии. 
Первый боевой вылет В-17 из Австралии имел место 22 декабря. В вылете приняли участие девять Flying Fortress. Объектом атаки были японские суда в Davao. После выполнения боевой задачи самолеты приземлились на Минданао, который еще был в руках американцев. 

В этот же день японцы высадились на Лусон и стали быстро продвигаться к Маниле, заставив МакАртура вывести свои сила сначала на Bataan, а затем на Corregidor. 

В попытке остановить наступление японцев 19-я BG была переведена с базы в Австралии на остров Ява. В январе 1942 года они действовали против японцев совместно с LB-30 и В-17Е из состава 7-й BG. Малое количество В-17 ничего не смогло противопоставить японскому наступлению и в марте 1942 года 7-я BG была переведена в Индию, оставив 19-ю BG единственной частью в южной части Tихого океана, вооруженной В-17.

Японцы считали B-17 жестким и хорошо вооруженным противником, который было тяжело сбить. Самолет мог выдерживать невероятное количество попаданий и повреждений, оставаясь при этом в воздухе. В ранней стадии войны на Tихом океане В-17 был наиболее опасным противником для японских истребителей. Но ранние B-17 были недостаточно защищены от атак со стороны хвостовой части. Японцы очень быстро выявили этот недостаток и стали атаковать В-17 со стороны хвоста. Пилоты Flying Fortress в случае такой атаки могли лишь попытаться дать возможность открыть огонь стрелкам, находившимся в сужении фюзеляжа к хвостовой части.

Вскоре на вооружение частей на Tихом океане стали поступать оснащенные большим форкилем B-17E. Внедренная на B-17E хвостовая турельная установка стала неприятным сюрпризом для японских истребителей уже приученным к нападению на Flying Fortress со стороны хвостовой части. Экипажи ранних В-17 не имевших хвостовой турельной установки устанавливали в хвосте своего самолета палки в расчете обмануть японцев. Вскоре выяснилось, что подфюзеляжная турельная установка с дистанционным управлением на B-17E работала неудовлетворительно, а сложная система зеркал дезориентировала стрелка. Поэтому она вскоре была заменена на поточной линии шаровой турельной установкой. 

В марте 1942 года генерал МакАртур перевел свой штаб из Del Monte в Австралию. Вскоре после этого японцы заняли Филиппины. 

Базировавшиеся на Гавайских островах 5-я и 11-я BG и имевшие в своем составе B-17E участвовали в сражении у атолла Мидуэй. В ходе сражения была сделана попытка использовать B-17E против кораблей японского надводного флота. Но высотные бомбардировки маневрирующих кораблей были полностью неудачными. При Мидуэе В-17 добились всего нескольких попаданий в японские корабли. Ни одно из попаданий не причинило серьезных повреждений. После этого руководство USAAC сделало вывод, что для атак кораблей лучше всего подходят низковысотные и пикирующие бомбардировщики. 

К августу 1942 года 43-я BG в Австралии стала пятой группой B-17E, развернутой против Японии. 5-я BG была переведена на юго-запад Tихого океана для участия в наступлении союзников от Соломоновых островов на Филиппины. В начале 1943 года личный состав 11-й и 43-й BG был переучен на Consolidated B-24 Liberator.

К середине 1943 года большинство В-17 на Tихом океане было заменено на имевший больший радиус действия B-24 Liberator. B-24 гораздо больше подходил для действий в Tихом океане в силу более высокой скорости и большей бомбовой нагрузки при полетах на средних высотах. Кроме того потери В-17 в Европе достигали угрожающих масштабов и все изготовляемые Flying Fortress были срочно необходимы для восполнения потерь. Таким образом известность В-17 получил лишь после налетов в Европе. Фактически B-17 совершили 98% всех боевых вылетов в Европе. 

Единственным B-17 из Clark Field, пережившим войну был "Swoose" (№ 40-3097). Изначально это был B-17D, но в результате частых ремонтов на него устанавливали детали от B-17 других моделей. Из-за этого он и получил имя "Swoose", составленное из слов "Swan" (лебедь) и "Goose" (гусь). После появления в достаточном количестве В-17 новых моделей № 40-3097 стал использовался как персональный транспортный самолет генерал-лейтенанта Джорджа Бретта (George H. Brett) - заместителя командующего Союзническими силами в Австралии. Самолет использовался в ходе войны для перевозки различных высокопоставленных лиц, включая молодого конгрессмена из штата Техас по имени Линдон Джонсон (Lyndon Johnson), который служил на флоте в звании капитан-лейтенанта. В настоящее время "Swoose" находится на хранении в Smithsonian Institution (штат Мэриленд) в ожидании восстановления.