按照日軍計劃，此時應出動航空兵實施反擊，但是航空兵已經在幾天前的台灣空戰中消耗殆盡，無力發起反擊。在此情況下，日本海軍仍按計劃出動，栗田指揮的第一遊擊艦隊的主力，計5艘戰列艦，12艘巡洋艦，15艘驅逐艦，從新加坡駛抵文萊進行補給，並召開作戰會議，確定最後的作戰方案。10月22日，栗田艦隊離開文萊，駛向菲律賓。
早在10月上旬，美軍“鰷魚”號和“海鯽”號潛艇就活動在南中國海，獲悉美軍登陸後，“海鯽”號艇長麥克林托克中校判斷在新加坡的日軍艦隊極有可能經巴拉望水道前往萊特灣，便與“鰷魚”號在10月22日深夜彙合，商定協同攻擊方案，一同駛往巴拉望水道尋找戰機。10月23日淩晨，這2艘潛艇在巴拉望島以西海域發現了栗田艦隊，他們一麵向指揮部報告一麵接近敵艦隊。“海鯽”號趕到日軍艦隊航線的正前方，在2000米距離上對其中一路縱隊的一號艦用艇首發射管齊射六枚魚雷，隨後轉向180度，對二號艦用艇尾發射管齊射四枚魚雷。遭到攻擊的一號艦正是栗田的旗艦“愛宕”號重巡洋艦，被擊中四枚魚雷，隨即產生橫傾。栗田隻得跳下水遊到“岸波”號，因為驅逐艦的無線電通信設備太差，後又改以“大和”號戰列艦為旗艦。二號艦是“高雄”號重巡洋艦，被擊中2枚魚雷，受到重創，一度喪失航行能力，經過搶修後才恢複航行，在2艘驅逐艦的護衛下返回文萊。就在日軍艦隊受到攻擊、隊形混亂時，“鰷魚”號則接近另一路縱隊，向“摩耶”號和“羽黑”號重巡洋艦各射出六枚魚雷。“羽黑”號發現了魚雷航跡，規避了過去。“摩耶”號也發現了魚雷航跡，艦長下令右滿舵規避，但航海長誤為左滿舵，在掉頭中，被四枚魚雷擊中，艦體迅速傾斜在8分鍾後沉沒。
在海戰的第一回合中，美軍的2艘潛艇就給了日軍一個下馬威，擊沉2艘、擊傷1艘重巡洋艦。
錫布延海戰
栗田司令官轉移到巨型戰艦“大和”號上並以“大和”號為旗艦，重整陣容，繼續北上。24日8時剛過，栗田艦隊進入錫布延海，錫布延海就像日本的瀨戶內海一樣，把菲律賓群島分成兩部分（海麵寬度是瀨戶內海的兩倍以上）。突破錫布延海麵向東進入太平洋，然後南下殺向萊特灣，這就是栗田艦隊（主力艦隊）的進軍路線。此路沿途海麵上航路狹窄，島嶼疊嶂，毫無疑問，這也是敵潛艇和飛機埋伏待機的最佳海域。但是，若南下突入萊特灣，這確是必經的險路，非突破不可。栗田最強大的“中心艦隊”由“大和”號、“武藏”號、“長門”號、“金剛”號和“榛名”號5艘戰列艦組成，還有12艘巡洋艦和13艘驅逐艦，企圖突破聖貝納迪諾海峽，攻擊萊特灣內的登陸艦隊。栗田主力艦隊到達萊特灣的距離若算直線航程，大約有1000海裏之遙，若采用警戒航行法或中途遇敵回旋的話，便可達1500海裏。而且，前半程是敵潛艇待機的海麵，後半程則進入了敵空襲圈。艦隊的征途既險惡又遙遠，而且，整個航程都充滿著敵艦潛伏奇襲的危險，顯然栗田艦隊成功地抵達萊特灣的把握實際上並不是很大。
事情的發展果然不出所料，美國“無畏”號航空母艦上的飛機很快就發現了栗田艦隊進入狹窄的錫布延海。而此時栗田艦隊正分成兩支艦群，一支以戰列艦“大和”號為中心，一支以戰列艦“金剛”號為中心，兩者間隔12海裏，擺成環形陣列，周圍由驅逐艦包圍，擺成一個圓形隊列，向錫布延海駛去。
哈爾西立刻命令集結第三艦隊的3艘航空母艦，分艦隊集中攻擊栗田艦隊，從“無畏”號和“卡伯特”號航空母艦和其他航空母艦上起飛的共260架飛機開始對栗田艦隊進行連續的攻擊。“大和”號巨艦上裝備的對空高炮、機關槍和每艘巡洋艦上擁有的上百門高射炮，立刻開火殲滅來襲的敵機，林立的炮管就像發怒的刺蝟一樣，其他警戒艦隻的大炮也以90度的仰角凝視著天空。上午10時40分，激烈的海空戰戰幕拉開，日艦所有的大炮凶猛地噴吐著火舌，艦隊上空頓時織出一張張密集的彈網，大有將膽敢來襲的美機一網打盡的架式。但是，如果各戰艦為了躲避魚雷而不得不進行閃避運動的話，高射炮的角度將失去統一，其結果必定使炮火分散，破壞了空中彈網的編織。因此，麵對敵人的魚雷轟炸機和俯衝轟炸機的猛烈空襲，密集炮火實際上也會漸漸失去威力。
“大和”號和“武藏”號成為美軍主要攻擊的目標，“妙高”號重巡洋艦負重傷被迫返回文萊。“武藏”號和“大和”號那堅韌無比的甲板把大部分命中的炮彈反彈到大海中去了，艦體幾乎未受任何損傷。雖然兩艦各自遭到1枚魚雷的襲擊，但並沒有影響巨艦的航速，“不沉戰艦”仍然威風凜凜地破浪前進。可是，好景不長，在被第二枚魚雷擊中的同時，又有幾顆大型炮彈在“武藏”號的艦橋附近爆炸，致使該艦18英寸大炮的方位盤不能轉動了，據推測這與魚雷爆炸造成的震動有關。盡管如山一般的巨艦仍以27海裏的速度破浪前進，但曾經一度在官兵中燃起的、用世界上獨一無二的18英寸巨炮打通突入萊特灣的道路、給予敵航空母艦以致命一擊的雄心頓時遭到了挫傷。在美軍的第三次空襲中，3枚飛竄的魚雷幾乎同時擊中了“武藏”號右舷的艦首，巨大的爆炸致使艦首外鋼板被撕裂而翻卷起來，從而使“武藏”陷入了不能自由航行的困境之中，在遭到10多枚魚雷的攻擊後，於19時30分傾覆，沉入到錫布延海底。