Pada tahun 1937, ia mengikuti pelatihan penerbangan dasar di Randolph Field Air Force Base di San Antonio, Texas, dan menunjukkan sejak awal bakatnya sebagai pilot.
Dia dengan cepat naik pangkat dan tidak lama kemudian Paul Tibbets menjadi komandan Skuadron Pemboman ke-340 dari Grup Pemboman ke-97.
Dia kemudian memimpin misi pembom berat siang hari Amerika pertama di atas Perancis yang diduduki pada bulan Agustus 1942, menargetkan lapangan kereta api di kota Rouen, Prancis.
Dua bulan kemudian, ia memimpin serangan bom Amerika pertama terhadap lebih dari 100 pembom di Eropa, menargetkan lokasi industri di kota Lille, Prancis.
Meskipun misi tersebut diklasifikasikan berhasil, pemboman yang tidak akurat telah menyebabkan banyak warga sipil tewas.
'Pertama kali saya menjatuhkan bom pada target di sana, saya melihat hal-hal itu jatuh karena kita bisa melakukannya di B-17,' Tibbets berbicara tentang misi pertama itu.
“Kemudian saya melihat kepulan asap hitam dan api dalam beberapa kasus. Saya berkata pada diri saya sendiri, “Orang-orang terbunuh di bawah sana yang tidak ada urusannya terbunuh. Mereka bukan tentara.""
Paul Tibbets dengan cepat membuang pikiran itu setelah teringat pelajaran yang diajarkan teman sekamar dari sekolah kedokteran kepadanya.
“Teman sekelasnya pernah mengatakan, mereka tidak dapat mempraktikkan kedokteran karena mereka memiliki simpati yang terlalu besar kepada pasien mereka.
Mereka mengasumsikan gejala pasien dan itu menghancurkan kemampuan mereka untuk memberikan kebutuhan medis.
Saya pikir, saya akan seperti itu jika saya berpikir tentang orang yang tidak bersalah kesandung tanah. Saya seharusnya menjadi pilot pembom dan menghancurkan target. Saya tidak akan berarti apa-apa jika saya melakukan itu. "
Pada akhir 1942, Paul Tibbets telah mendapatkan reputasi sebagai salah satu penerbang terbaik di Angkatan Udara AS.
Beberapa minggu kemudian, Paul Tibbets menerbangkan Komandan Tertinggi Sekutu dan calon presiden Amerika Serikat Dwight D. Eisenhower ke lokasi yang sama.
Setelah terbang lebih dari 40 misi tempur, Paul Tibbets terpilih untuk kembali ke AS pada tahun 1943.
Dia diminta untuk membantu pengembangan pesawat pembom terbesar di dunia yang pernah dibuat, pembom B-29 Superfortress, yang pada saat itu memiliki pengalaman masalah teknis.