В 15.40 один из «Авенджеров» второй поисковой группы заметил вдалеке корабли 1-го Мобильного Флота. Он немедленно отправил радиограмму, которую на «Лексингтоне» прочитать никто не смог. Но даже принятой тарабарщины хватило, чтобы понять: что-то назревает. Митчер приказал своим кораблям следовать прежним курсом, держа скорость 20 узлов, после чего он поинтересовался, принял ли кто-нибудь сообщения от других разведчиков. Откликнулся «Йорктаун», который указал несколько иные координаты группы из 10 японских кораблей. Парадоксально, но именно расхождение в данных убедило Митчера, что контакт действительно имел место. Адмирал приказал готовить самолеты к вылету.
А вскоре был получен первый четкий и пространный рапорт. Японский флот находился на расстоянии 275 миль на WNW и шел тремя группами с малой скоростью, принимая топливо с танкеров. Если американцы намеревались атаковать противника, им следовало поторопиться, так как темнота наступала в 19.00. Митчер поинтересовался у Виндхелма, который командовал пикировщиками в бою у Санта-Крус, получится ли атака. Виндхелм ответил, что получится, но у пилотов возникнет много проблем.
Японцы слушали все эти переговоры, и у них появилась твердая уверенность, что они обнаружены. Поэтому в 16.45 Одзава приказал прекратить прием топлива, повернуть на 24 градуса к северу и увеличить скорость до 24 узлов. Разумная, но тщетная предосторожность, потому что Митчер еще в 16.05 начал готовить самолеты к вылету, а в 16.20 ОС 58 развернулось против ветра, и первые самолеты покинули полетные палубы авианосцев. Для экономии времени и топлива самолеты не кружили над авианосцами, пока не построится вся группа, а сразу брали курс на цель, и группа строилась уже по дороге.
Через 15 минут взлет был завершен, и это была самая большая ударная группа, которую когда-либо поднимали американские авианосцы. Даже в последующих боях эту цифру превзойти не удалось. Собственно, у Митчера не было иного выбора в связи с приближением сумерек. Он мог нанести только один удар, и адмирал постарался, чтобы этот удар получился максимально сильным. Всего взлетели 216 самолетов — 85 «Хеллкэтов», 54 «Авенджера» (из которых только 12 имели торпеды, а остальные несли по 4500-фн бомбы), 51 «Хеллдайвер» и 26 добрых старых «Доунтлессов». Остальные самолеты Митчер решил придержать для возможного повторного удара завтра утром, и дальнейшие события показали, что он был совершенно прав, хотя по иной причине.
Мало кто знает, но один из японских самолетов-разведчиков ухитрился засечь ОС 58, после чего Одзава в 17.20 отправил в атаку аж целых 7 штук торпедоносцев. Чего он намеревался этим добиться — абсолютно непонятно. К счастью для себя, японские летчики не нашли американские авианосцы и вернулись назад.
К 18.00 японцам окончательно стало понятно, что вскоре им предстоит выдержать атаку американских самолетов, и 1-й Мобильный Флот перестроился в ордер ПВО. Ордер-то был неплохим, но вот в результате имевшей место путаницы и перестроений, Соединение С, чьи авианосцы имели самое сильное сопровождение, больше не стояло между американцами и другими японскими кораблями. В 18.03 японский радар обнаружил американские самолеты, и в воздух поднялись последние японские истребители. Данные об их действиях весьма скудны. Вроде бы у Одзавы еще остались 40 истребителей и 28 истребителей-бомбардировщиков. Хотя принято писать, что уцелевшие ветераны действовали очень умело, на самом деле американцы потеряли в скоротечном воздушном бою всего 12 самолетов. Сами они претендовали на 26 сбитых японских самолетов, что очень удивительно, потому что японцы в ходе боя потеряли 65 самолетов.
Первыми кораблями, которые заметили американцы, была группа из 6 танкеров, которые отстали от главных сил, так как просто не имели скорости военных кораблей. Соединение С адмирала Криты шло в 38 милях западнее танкеров, Соединение В — в 8 милях севернее. Единственный уцелевший авианосец Соединения А — новый флагман Одзавы «Дзуйкаку» — находился в 40 милях от них.
Командир эскадрильи VB-14 «Уоспа» решил, что если уничтожить эти танкеры, то американский флот получит преимущество в случае затяжной погони, и приказал своим пилотам атаковать их. То есть решение атаковать танкеры было взвешенным и продуманным, а не спонтанным, дескать, никаких других целей нет, так пусть хоть эти. В результате танкеры «Гэньё мару» и «Сэйё мару» были потоплены, а танкер «Хаясуй» получил повреждения.