Незадолго до 9 часов утра в воздух поднялся американский ударный отряд в составе 82 самолетов, а к 9 часам 25 минутам все они уже были на пути к цели. Примерно в это же время противник собрался нанести аналогичный удар силами 69 самолетов. Американская атака состоялась около 11 часов утра, японская – примерно 20 минутами позже. К 11 часам 40 минутам все было кончено. Американские самолеты встретили трудности из-за низкой облачности в районе цели. Когда они обнаружили ее, один из неприятельских авианосцев направился искать прикрытие в дождевом шквале, и вся тяжесть атаки обрушилась на авианосец «Сиокаку». Три бомбы попали в цель, корабль был охвачен пожаром. Однако причиненный ему ущерб был преувеличен. На данное время корабль был выведен из строя, однако он сумел добраться до базы для ремонта. «Дзюикаку» не понес никакого ущерба.
Тем временем японцы в условиях ясной погоды атаковали «Йорктаун» и «Лексингтон». Благодаря очень умелому маневрированию «Йорктаун» сумел уклониться почти от всех атак, но пострадал от большого количества близких разрывов. Одна бомба, попавшая в корабль, причинила ему тяжелые потери и вызвала пожар. С огнем вскоре справились, и боеспособность корабля была восстановлена. Менее удобному для маневрирования «Лексингтону» повезло меньше: в него попали две торпеды и две или три бомбы. К концу налета он был охвачен сильнейшим пожаром и имел крен на левый борт; три его котельных помещения были затоплены. Благодаря доблестным усилиям команда с пожарами справилась, крен был ликвидирован, и вскоре корабль снова делал 25 узлов.
Потери самолетов с обеих сторон в этой ожесточенной схватке – первом в истории сражении между авианосцами – были установлены после войны; американцы потеряли 33 самолета, японцы – 43.
Если бы события в Коралловом море на этом закончились, то общий итог был бы явно в пользу американцев. Но теперь на них обрушилась катастрофа. Через час по окончании боя «Лексингтон» был потрясен сильным внутренним взрывом. Внизу возник пожар; огонь распространился по всему кораблю, и справиться с ним стало невозможно. Все усилия спасти корабль оказались бесполезными, и в тот же вечер он во избежание людских потерь был покинут командой и потоплен американской торпедой. Затем и американцы, и японцы ушли из Кораллового моря. Эти дни ознаменовали предел японского наступления на море в направлении Австралии.
Для американцев сохранение их авианосцев было первоочередной необходимостью. Адмирал Нимиц отдавал себе полный отчет в том, что на севере намечаются более важные события, которые потребуют использования всех сил, имевшихся в его распоряжении. На тот момент он удовлетворился тем, что помешал приходу японцев в Коралловое море и немедленно отозвал в Пёрл-Харбор все свои авианосцы, включая «Энтерпрайз» и «Хорнет», которые в то время спешно шли на соединение с Флетчером.
Это столкновение имело последствия, выходившие за рамки его тактического значения. Стратегически это было желанной американской победой, первой победой над Японией. До этого ничего похожего не случалось. Это было первое морское сражение, в котором надводные корабли не обменялись ни одним выстрелом. Оно также означало, что возможности и случайности войны значительно возросли. Известие о победе облетело весь мир, укрепив веру, вызвав огромное облегчение и бодрость в Австралии и Новой Зеландии, а также в Соединенных Штатах. Тактические уроки, приобретенные в этой битве тяжелой ценой, были вскоре использованы с выдающимся успехом в сражении у острова Мидуэй, первые этапы которого должны были вот-вот начаться.