После получения сообщения о подходе американских сил на бомбардировщики подвесили по паре 250-кг бомб, поскольку на Вунаканау не успели доставить торпеды. В 14:20 17 G4M поднялись в небо двумя группами под общим командованием лейтенант-командера Такуцо Ито, находившегося в качестве наблюдателя на борту ведущего самолета 1 -й эскадрильи, (пилот – мичман Чизо Ватанабе).
В составе этой эскадрильи было восемь машин, шедших двумя тройками и парой. 2-я эскадрилья ведомая лейтенантом Масайоши Накагава, поднявшая девять самолетов, шла в строю «клин звеньев». Из-за сильной облачности, Ито приказал двум звеньям своей эскадрильи разойтись в стороны, чтобы увеличить площадь наблюдения.
В 16:00 на экране американских радаров появилась отметка групповой цели на дистанции 75 миль. В 16:25 расстояние сократилось до 47 миль и стала очевидна неизбежность налета. Истребители Гэйлера быстро взлетели и направились в сторону приближающегося противника. В это время дивизион Лавеласа готовился к посадке на авианосец, но не получил разрешения, поскольку к взлету готовились оставшиеся четыре истребителя, а также 11 «Доунтлессов», которым было необходимо покинуть палубу до начала атаки.
В 16:35 пилоты шести «Уайлдкэтов» ведомых Гэйлером, обнаружили приближающуюся девятку G4M 2-й эскадрильи, которая первой вышла на цель. Лейтенант Гэйлер и его ведомый младший офицер Петерсон с первого же захода сбили один бомбардировщик. Следом за ними атаковали лейтенанты Леммон и Кларк, уничтожившие второй самолет. Ведущий третьей пары младший офицер Эдер обнаружив, что у машины его ведомого младшего офицера Уилсона проблемы с двигателем, атаковал в одиночку снизу-сзади один из замыкающих бомбардировщиков, но после первой же очереди на его истребителе отказали три из четырех пулеметов. В этот момент тот же самолет был атакован сверху лейтенантом Гэйлером и сбит.
Наблюдатели на кораблях, следившие за разыгравшимся в 10 милях воздушным боем, отметили падение трех бомбардировщиков, а с эсминца «Фелпс» доложили об оставшихся шести, которые направлялись к эскадре. В 16:43 последние четыре истребителя начали взлет, а за ними последовали и «Доутлессы». В этот момент Петерсон, ведомый Гэйлера, атаковал вражеский бомбардировщик, заставив его покинуть строй. Вероятно, это был самолет Накагава, поскольку только потеря лидера могла привести к заминке в перегруппировке остатков эскадрильи, вызвавшей отклонение от курса атаки вправо. В этот момент лейтенант Леммон сбил еще один G4M, а поврежденный бомбардировщик Накагавы (так предполагают японские историки – Прим.Авт.) попытался таранить «Лексингтон», но, попав под огонь зенитной артиллерии, рухнул в море почти одновременно с еще одним горящим японским самолетом.
Оставшиеся три «Бэтти» сбросили бомбы и начали уходить. Истребитель пытавшегося атаковать эту группу в одиночку лейтенанат Говарда оказался подбит огнем японских стрелков и пилот будучи ранен осколком 20-мм снаряда в ногу, вынужден был покинуть свой F4F с парашютом. После успешного приводнения, его подобрал эсминец «Паттерсон». На этом этапе боя Тэч и Селстром смогли присоединиться к погоне, а О'Хара и Дуфильо получили приказ остаться над авианосцем.
Тэч атаковал бомбардировщик, а затем, оглянувшись через плечо, обнаружил второй, подходивший сзади. Летчик попытался предупредить находившегося поблизости младшего офицера Уилсона, но было уже поздно – пушечная очередь выпущенная японским стрелком, видимо, попала в фонарь кабины, что привело к мгновенной гибели пилота, самолет которого спикировал прямо в море. Тэч перенес свое внимание на самолет, сбивший Уилсона и в первой же атаке изрешетил его фюзеляж, а во второй повредил один из двигателей. Последовавший затем взрыв топливных баков оторвал часть крыла вражеской машины и она беспорядочно кувыркаясь рухнула в море. Следующего противника расстреляли истребители второго дивизиона, державшиеся в воздухе с минимальным запасом топлива.
Тем временем палубная команда авианосца лихорадочно опускала на ангарную палубу «Девастэйторы» и поднимала в небо оставшиеся «Доунтлессы», часть экипажей которых не пожелала оставаться в стороне от схватки. Над самой поверхностью воды пилот одного из них, лейтенант Ален, открыл огонь из курсовых пулеметов и «Бэтти» врезалась в волны. Обнаружив второй поврежденный G4M, Ален вывел свой пикировщик на параллельный курс с японцем и дал возможность своему стрелку отличиться. После длинной очереди хвостовых пулеметов и этот бомбардировщик взорвался.