Двойное заблуждение, возникшее у американского морского командования в результате этих донесений, имело своим неизбежным следствием принятие не соответствовавших обстановке решений и придало последующим сражениям чрезвычайно напряженный характер. Американское соединение, имевшее задачей непосредственное прикрытие района высадки, вышло навстречу обнаруженному тем временем японскому соединению адмирала Нисимура. Последнее в ночь с 24 на 25 октября было атаковано в проливе Суригао многочисленными эскадренными миноносцами и торпедными катерами и понесло такие тяжелые потери, что вынуждено было вернуться на свою базу.
Когда 24 октября после полудня от воздушной разведки были получены первые донесения о приближении перебрасываемого из японских вод соединения под командованием Одзава, 3-й американский флот Холси, имевший в своем составе быстроходные авианосцы, вышел навстречу этому новому противнику.
В результате Курита, легший между тем на противоположный курс и прошедший в ночь с 24 на 25 октября пролив Сан-Бернардино, при своем продвижении к бухте Лейте встретил лишь сравнительно слабые американские морские силы. Это была группа вспомогательных авианосцев и несколько эскадренных миноносцев, служивших в первую очередь целям защиты транспортных судов. Еще две группы авианосцев находились на расстоянии 30 и 120 миль южнее. Оба противника были одинаково удивлены происшедшей примерно в 7 часов встречей, американцы – потому, что считали себя хорошо прикрытыми с севера, а японский адмирал – потому, что ожидал натолкнуться на сильный американский флот. Японцы немедленно попытались использовать свое подавляющее превосходство в артиллерии. Американские авианосцы, понеся значительные потери, отошли на юго-восток и подняли в воздух свои самолеты, а эсминцы, не обращая внимания на мощный огонь японцев, начали торпедные атаки. Обе находившиеся южнее американские группы авианосцев выслали на помощь свои самолеты. Объединенными усилиями эсминцев и самолетов американцы нанесли японским кораблям, стремившимся разрозненными действиями уничтожить американские авианосцы, неожиданно тяжелые потери. После двухчасового боя, в ходе которого японцы сбили много американских самолетов, Курита отошел на север. Обстановка становилась для него критической. Он ничего не знал ни о местонахождении Одзавы, ни о расположении главных сил американского флота. В то время как американцы с большим беспокойством ожидали следующего нападения, которое могло, чего доброго, закончиться прорывом японцев к месту высадки десанта, Курита нерешительно крейсировал несколько часов восточнее острова Самар, ожидая столкновения с американским флотом и, наконец, решил отступить в пролив Сан-Бернардино.
Тем временем 3-й флот Холси встретил эскадру Одзавы. 55 самолетов-торпедоносцев, 65 бомбардировщиков и 65 истребителей атаковали японцев, подавили слабое истребительное прикрытие и за короткое время потопили два авианосца, тяжело повредив третий. Одзава, считая, по-видимому, свою задачу по отвлечению главных сил, стоившую ему столь тяжелых потерь, выполненной, повернул на север. Во время этого боя Холси доложили, что из бухты Лейте просят о помощи. Однако расстояние было так велико, что в ближайшее время он был бессилен что-либо сделать. Кроме того, он, видимо на основании прежних донесений, недооценивал силу совершившего нападение соединения и решил поэтому преследовать находящегося перед ним противника с целью нанести ему новые потери. Лишь потому, что просьбы о помощи не прекращались, он отослал часть своих сил на юг, однако они прибыли лишь тогда, когда опасность давно уже миновала. Одзава же потерял еще и последний авианосец. С 2 линкорами, 2 легкими крейсерами и 8 эскадренными миноносцами он вернулся обратно в Японию.
Возвращающееся в базу соединение Курита 26 октября в первой половине дня было еще дважды атаковано американскими самолетами в море Сибуян. Еще через день соединение, уже значительно ослабленное, бросило якорь в бухте Бруней.
Таким образом, морское сражение в бухте Лейте закончилось решительной победой американцев. Они потеряли 3 авианосца и 3 эсминца, японцы же – 3 линкора, 3 авианосца, 10 крейсеров и 9 эсминцев. Но гораздо значительнее материальных потерь была для японцев утрата последней возможности добиться перевеса в войне в результате филиппинского сражения. Японский флот окончательно лишился своей оперативной подвижности и больше не выходил в море в своем полном составе. Вместо него в большом количестве стали регулярно использоваться «камикадзе», летчики-смертники, разбивавшие самолет с бомбовым грузом о цель, жертвуя при этом своей жизнью. До самого конца войны американцам приходилось принимать меры против их внезапных налетов и нести значительные потери, хотя в целом сколько-нибудь заметного влияния на ход военных действии «камикадзе» не оказали.