Raketen slog ned i utkanten av industristaden Ashkelon vid Medelhavskusten, hela 17 kilometer från Gazas gräns - så djupt hade ingen av de otaliga raketer som palestinsk milis avlossar mot Israel nått förut.
Ingen skadades i torsdagens angrepp, men eftersom raketen var av den tyngre katjusja-typen och nådde så långt väckte attacken oro i Israel.
- Palestinierna har angripit en israelisk storstad, och därmed höjt insatsen, sade en regeringstalesman till Jerusalem Post.
Som omedelbart svar bombade israeliskt stridsflyg flera byggnader i Gazaremsan. De materiella skadorna var omfattande men inga personer ska ha skadats.
Minst åtta palestinier - varav cirka hälften civila - dödades dock i en serie israeliska flyg- och markangrepp tidigare under dagen, enligt israeliska medier. Markstrider rasade i närheten av Khan Yunis i södra Gaza. I en incident dödades en milisman, hans mor och hans syster av en granat från en israelisk stridsvagn.
Israels uttalade mål med flyg- och markräderna i Gazaremsan är att stoppa den palestinska raketbeskjutningen från territoriet som Israel lämnade 2005 efter 38 års ockupation. Palestinierna betraktar fortfarande Gaza som ockuperat eftersom Israel kontrollerar dess gränser, kust och luftrum.
Många i Israels militära ledning har länge förespråkat en storskalig invasion av Gazaremsan för att bryta ned den militära slagstyrka som palestinska Hamas har byggt upp de senaste åren. Även gränskorridoren mellan Gaza och Egypten skulle återerövras för att stoppa vapensmugglingen.
Israels regering har hållit emot och i stället kapat bränsleleveranser till territoriet som svar på raketangreppen - en metod som människorättsgrupper kallar kollektiv bestraffning.
Upptrappningen i Gazaremsan kommer olägligt för USA:s försök att sätta ny fart på fredsprocessen. USA:s president Bush besöker Israel och Västbanken i nästa vecka, med målet att bygga vidare på fredskonferensen i Annapolis i november.
