9日9時，英戰列艦“拉米伊”號在3艘驅逐艦掩護下脫離艦隊，護送一支護航運輸隊前往馬耳他島。艦隊其餘兵力前往馬耳他島東南約100英裏處占領掩護陣位。巡洋艦則奉命向北開進，進行搜索。
10日10時，來自直布羅陀的英戰列艦“巴漢姆”號、巡洋艦“伯威克”號和“格拉斯哥”號同地中海艦隊會合。約12時，英艦隊位於馬耳他島以西約40英裏處。13時30分，10架意大利轟炸機分為2個機群，從4200米的高度對英艦實施攻擊，投擲炸彈25枚，無一命中。“光輝”號航母的戰鬥機立即起飛迎戰，意機被擊傷1架，其餘被驅走。
此後，為迷惑意方，坎寧安將軍命令艦隊向亞曆山大港方向航行。11日中午，英艦隊又折回馬耳他島與克裏特島之間的集結水域，然後向東北方向的作戰海域前進。13時10分，由威佩爾海軍中將指揮的佯動群在北緯36°1′，東經18°30′的海域脫離艦隊，前往奧特朗托海峽。18時，由“光輝”號航空母艦及其警戒艦艇組成的突擊群在紮金索斯島以西海域脫離艦隊主力，向克法利尼亞島前進，準備發起攻擊。
在塔蘭托遭到英機空襲前，意偵察機雖發現了英艦隊，但沒有真切查明敵情。意海軍當局雖察覺英艦隊來襲的一些端倪，但判斷有誤，未能采取果斷的防範措施，致使英地中海艦隊的空襲得以實現。
11日18時，英艦載航空兵司令斯特海軍少將下達戰鬥命令。19時45分，“光輝”號航空母艦在巡洋艦“格洛斯特”號、“伯威克”號、“格拉斯哥”號、“約克”號和4艘驅逐艦的護航下，開始增速至28節。20時30分，在距離塔蘭托港約279公裏處，第一攻擊波12架“劍魚”式飛機，組成4個“V”字形飛行小組，飛入雲層，航速每小時約75海裏，高度2286米。飛行指揮官威廉森少校率領突擊機群向北飛越塔蘭托灣。2架照明機進入港區上空後，由南向北投下帶降落傘的照明彈，為魚雷機、轟炸機對港內目標進行攻擊創造了條件。4架轟炸機以內港的驅逐艦與巡洋艦為突擊目標，采取小角度俯衝進行低空投雷。23時35分，第一攻擊波的最後1架飛機撤出戰鬥，準備返回航空母艦。
大約在第一攻擊波起飛後的1個小時，即21時20分，“光輝”號再次迎風增速，發送第二攻擊波9架飛機在黑爾海軍少校指揮下開始出擊。起飛後20分鍾，代號為15的轟炸機因故障返回，其餘8架飛機按預定計劃飛臨塔蘭托港，實施襲擊。5架魚雷機投射魚雷5條，有1條命中目標。第二次突擊中，有1架飛機被意高射炮火擊落。
12日1時，“光輝”號到達回收艦載機的Y陣位，以21節航速迎風航行。1時12分，14C飛機首先著艦。接著，第一攻擊波的其餘飛機相繼降落。2時正，第二攻擊波的7架飛機也開始著艦。11月12日拂曉，在驅逐艦的護航下，“光輝”號航空母艦與戰列艦“沃斯派特”號、“馬來亞”號會合，然後高速返航，駛向亞曆山大港。
英地中海艦隊以艦載航空兵對塔蘭托的突襲，開創了使用航母艦載機突襲敵國海軍基地，並取得完全勝利的先例。英海軍僅以消耗11條魚雷、少量炸彈和損失2架飛機的代價，換取了擊沉意戰列艦1艘、重創2艘、擊傷巡洋艦和輔助船各2艘的勝利。此外，還破壞了意水上機場和油庫。自此之後，意海軍的大型軍艦便離開了塔蘭托基地，而轉移到那不勒斯港。這對英海軍奪取地中海中部水域的製海權和保護英國在該海區的海上交通線是非常有利的。