Наконец в 16 час. 30 мин. было перехвачено донесение с американского самолета. Это донесение было адресовано адмиралу Митшеру. В нем говорилось, что японский флот принимает топливо. Наметилась перспектива нанести удар по противнику в то время, когда он этого не ждет и занят приемкой топлива. Митшер, несмотря на то что самолеты должны будут возвращаться в темноте, принял решение: «Атаковать». Впоследствии он так объяснил свои действия: «За благоприятную возможность нанести удар по японскому флоту мы рисковали поплатиться большими потерями самолетов и летчиков, поскольку они должны были лететь на предельную дальность полета и возвращаться на авианосцы в темноте. Возвращение в ночных условиях… неизбежно было связано с жертвами. Ночная посадка самолетов… проходит очень медленно. Часть самолетов всегда отстает от основной группы… для возвращения всех самолетов потребуется около четырех часов. В течение этого времени авианосцы должны были двигаться против ветра, т. е. восточным курсом… (и) удалялись бы от места сосредоточения противника».
В 16 час. 20 мин. американские авианосцы развернулись против ветра и подняли в воздух 85 истребителей, 77 пикирующих бомбардировщиков и 54 торпедоносца. Первыми японскими кораблями, обнаруженными с воздуха, были отставшие танкеры. Летчики пренебрегли этой целью и проследовали дальше.
Японские корабли шли тремя группами. Передовая группа адмирала Курита из трех авианосцев и четырех линкоров была наиболее сильной. Построившись в компактный ордер, японские корабли хотели компенсировать недостаток самолетов сосредоточенным зенитным огнем. Вторая группа из трех авианосцев, линкора «Нагато», крейсера «Могами» и восьми эсминцев шла несколько севернее. Флагманский авианосец «Дзуйкаку», три крейсера и семь эсминцев находились к северо–востоку от второй группы. Почему японские корабли шли разрозненно? Вряд ли это было следствием паники и принципа «спасайся, кто как может». По–видимому, лишившись авиационного прикрытия, японский адмирал принял решение ценой гибели одной группы спасти остальные. Судя по тому, что его флагманский корабль имел наиболее слабое прикрытие, он в первую очередь приносил его в жертву ради спасения остальных.
Когда над японским соединением появилось 216 американских самолетов, им могло противостоять не более (по оценкам американских летчиков) 35 самолетов. Американские самолеты пошли в атаку. Японские корабли встретили их интенсивным зенитным огнем. Часть американских летчиков атаковали отставшие танкеры и два из них потопили. Остальные сосредоточили свое внимание на более стоящей добыче. В результате авианосец «Хийо» был потоплен, а «Дзунё» тяжело поврежден. Флагман «Дзуйкаку» был атакован торпедоносцами и пикирующими бомбардировщиками. От двух торпед он сумел уклониться, но от множества бомб спастись не было никакой возможности. Корабль получил тяжелые повреждения и был объят пламенем. Поступил приказ об оставлении корабля, но аварийно–спасательная служба сумела справиться с пожаром, и приказ был отменен. «Дзуйкаку» сумел вернуться в Японию и стать на ремонт.
Кроме авианосцев, ряд других кораблей получили попадания бомб. Авианосец «Чиода» был поврежден одной бомбой. Линкор «Харуна» также получил одно попадание, в результате один артиллерийский погреб был затоплен. Незначительные повреждения получили еще несколько кораблей. Обращает внимание то, что американские летчики весьма мало уделили внимания атакам линейных кораблей. По–видимому, в их умах уже сложилось определенное представление в отношении ценности этих кораблей. В наступившей темноте корабли разошлись, не имея возможности организовать ночной артиллерийский бой. Кроме того, американские корабли, принимая свои самолеты, удалились от места боя. Что касается японцев, то они если и имели мысль навязать противнику ночной бой, то быстро от нее отказались.
Этот бой окончательно поставил на свои места все классы боевых кораблей, сделав главными авианосцы, а линкоры были окончательно сведены до роли кораблей обеспечения — не больше.