9時5分，一架美軍水上飛機發現了山本精心設計的“誘餌”——“龍驤”號輕型航空母艦。這是日本在1923年建造下水的最早的一艘航空母艦，排水量僅8000噸。美偵察機發現目標後立即發回報告，但弗萊徹不相信。昨天3批美機都未發現日艦隊，難道今天它就會從海底冒出來嗎？直到下午1時，美艦雷達發現了由“龍驤”號起飛的轟炸機前去轟炸瓜島亨德森機場，他才下令“薩拉托加”號航空母艦上的30架轟炸機和8架魚雷機前往攻擊“龍驤”號。
由於此時日本的軍艦尚未裝備雷達，直到38架美機飛臨“龍驤”號上空，“龍驤”號才發現美機來襲。艦長一聲令下，“龍驤”號轉向逆風行進，準備讓自己的飛機升空，但此時也正是航空母艦最容易受到攻擊的時候，美機抓往這一有利時機從高空俯衝而下，霎時就有4顆炸彈在“龍驤”號的甲板上爆炸。與此同時，8架魚雷機也迅速從左右兩側同時進入攻擊位置，施放了魚雷，躲避不及的“龍驤”號又中了一條魚雷。當晚8時，“龍驤”號沉入大海。
當“龍驤”號作為山本計劃中的犧牲品受到美機如狼似虎般的攻擊時，南雲忍不住心中暗暗高興。他認為敵機已被引開，向美航空母艦實施主要突擊的時機已經到來。恰在這時，“築摩”號巡洋艦派出的偵察機又發回了發現美艦編隊的報告，南雲當即下定決心，傾其全力進行攻擊。中午1時，他首先從“翔鶴”號派出27架轟炸機和10架戰鬥機。ｌ小時後，又從“瑞鶴”號派出了27架轟炸機和9架戰鬥機。
16時2分，美“企業”號航母上的雷達發現了一群空中目標，這正是南雲派出的前來攻擊美艦的日機。弗萊徹急忙下令甲板上待命的飛機升空進行攔截，使在空中警戒的戰鬥機增加到53架。同時，“企業”號上僅存的11架轟炸機和7架魚雷機也與“薩拉托加”號上的5架魚雷機和2架轟炸機合兵一處，前往攻擊日艦。至此，弗萊徹已把他的全部家底亮了出來。
雙方機群在距離“企業”號25海裏處的濃密雲層中擺開陣勢，周圍幾海裏的天空中充滿了空戰時那種特有的尖厲刺耳的喧囂聲。不久，攻擊“龍驤”號後返航的俯衝轟炸機和魚雷機也趕來投入了戰鬥。
由於美軍艦炮的攔阻射擊相當厲害，加上日本飛行員的素質比突襲珍珠港時下降了許多，所以魚雷機在進入攻擊位置之前均被擊毀，隻有少數幾架轟炸機得以突破防線，進行攻擊。雖然數量不多，但日機單機魚貫而入，每隔7秒鍾就有1架不顧死活地進行俯衝轟炸。“企業”號艦長戴維斯上校拚命用大舵角急轉，躲避天空飄下的炸彈，但還是難以躲過被擊中的命運。
16時41分，美航空母艦“企業”號被一顆炸彈擊中，35人當場死亡並引起大火；一分鍾後，裝有瞬發雷管的第二顆炸彈命中艦尾，橙色火花四濺，38人頓時血肉橫飛；第三顆炸彈炸掉了起飛信號台，39人喪生。
為了避免與擅長夜戰的日軍進行夜戰，弗萊徹少將急忙率艦隊南撤，海麵上隻剩下“企業”號無依無靠，成了等待攻擊的目標。就在這時，“企業”號的雷達又發現了一批日本飛機。這是從“瑞鶴”號上起飛的第二攻擊波。
然而，令人驚歎的是，本來可以為南雲贏得勝利、為日本國在中途島的失敗報仇雪恨的這批飛機，卻犯了過早改變航向的錯誤。它們從“企業”號以西約50海裏的地方溜了過去，然後放棄追蹤目標一無所獲地返航回撤。
日機離去後，“企業”號進行了緊急搶修，僅用1小時就撲滅了大火，艦身恢複平衡，航速達到24節，能夠接收飛機著艦。
此次海戰，日美雙方出動的主要兵力對比為：航母3：2，水上飛機母艦1：1，戰列艦3：1，巡洋艦16：4，驅逐艦30：11，日軍幾乎比美軍多一半。然而，日軍被擊沉航母、巡洋艦、驅逐艦各一艘，被擊傷水上飛機母艦、驅逐艦各一艘，損失飛機90架。美軍僅一艘航母被擊傷，損失飛機17架。日軍不僅沒有實現殲滅美軍航母編隊的企圖，而且向瓜島增援的目的也沒有達到。可以說日軍在這次海戰中是徹底失利的。