米切爾接報後，真是處於進退兩難之中。如果進攻，美機就要往返700餘海裏的航程，這幾乎是美俯衝轟炸機和魚雷攻擊機的極限，其中還不包括在作戰過程中必不可少的燃油消耗。另外，此時天色已晚，攻擊完後艦載機肯定要在夜間摸索返航，而他手下的飛行員隻有少數人能在夜間降落，危險太大。但如等到天亮再攻擊，又會白白失掉這次摧毀日艦隊的機會。
“飛機起飛！”經過反複考慮，米切爾還是決定要冒一次險。
不到10分鍾，216架飛機，其中包括77架SBD“無畏”式俯衝轟炸機、53架TB“複仇者”式魚雷攻擊機和86架“惡婦”式戰鬥機，從10艘航空母艦的甲板上騰空而起，迎著夕陽向西飛去。
18時23分，美機發現海麵上的日軍油船；18時30分，終於發現了龐大的小澤艦隊。該艦隊有6艘航空母艦、4艘戰列艦、11艘巡洋艦和22艘驅逐艦，分為3路縱隊，每路縱隊間隔10海裏，艦尾部劃出的白色航跡給美機指明了攻擊的目標。
“首先攻擊敵航空母艦！”空中指揮官命令道。美各型戰機迅速進入攻擊航向，美4B“複仇者”式魚雷機開始降低高度，3BD“無畏”式俯衝轟炸機開始爬高，隻有“惡婦”式戰鬥機仍保持原先的飛行高度，整個美攻擊機群形成立體攻勢，就像一陣龍卷風般襲向日艦。
小澤見狀，趕緊下令所有的艦載機全部升空迎戰。雖說是全部，但也隻是很勉強地拚湊了75架飛機。這點可憐的兵力又怎麼能夠阻擋得了強大的美攻擊機群呢！小澤的心中非常下安。
隻見天空中美“惡婦”式戰鬥機就像老鷹捉小雞似地衝向日機，將這些倒黴的日機一架接一架地打落海中。“複仇者”式魚雷攻擊機冒著日艦幾乎呈齊射狀態的高射炮火，開始投雷，一條條魚雷在光線很暗的海麵上高速向日航空母艦衝去。俯衝轟炸機如餓虎撲食，在夕陽的餘輝下冒死攻擊，冰雹般的高爆炸彈淩空而下，在海麵上掀起森林般的衝天水柱。
日本“飛鷹”號航空母艦在炸彈和魚雷的聯合攻擊下，艦麵騰起熊熊大火，很快就搖擺著巨大的身子一頭紮入海底；“瑞鶴”號航空母艦、“隼鷹”號航空母艦和“千代田”號航空母艦也分別被雷彈打得傷痕累累，艦身嚴重損壞。激戰中，小澤又損失了65架飛機。
另外，美部分俯衝轟炸機誤將跟在航母後麵的2艘油輪當作航空母艦，對其進行了猛烈的俯衝攻擊，500公斤炸彈就像冰雹般地砸向日油輪，僅兩三分鍾，2艘油輪先後爆炸起火，瞬間即沉入大海。