上午9時左右，駛入錫布延海的栗田艦隊被美偵察機發現。此時，哈爾西的第3艦隊正在菲律賓以東海麵待命，自北向南分別是薛爾曼少將的第3特混大隊；博根少將的第2特混大隊；戴維森少將的第4特混大隊。萊特灣海域則是金凱德海軍中將的第7艦隊。
10時38分，美軍第一攻擊波12架SBD“無畏”式俯衝轟炸機和18架TBD“掠奪者”式魚雷攻擊機，在36架格魯曼—6“惡婦”式戰鬥機的掩護下，向栗田艦隊襲來。當美機飛臨栗田艦隊上空時，栗田幾乎沒有一架飛機在空中阻攔，隻好靠艦上強大的防空火力來應付了。海空激戰剛一開始，就有8架美機被擊毀，但美機仍頑強進攻，重點指向“武藏”號戰列艦。
“武藏”號是與“大和”同型的巨型戰列艦，1937年動工，1942年底才下水。它的艦長263米，寬39米，滿載排水量為7.2萬多噸，全艦大小火炮共計152門。該艦重鋁厚甲，裝甲厚達410毫米，與“大和”號一起被稱為“永不沉沒的戰列艦”。
麵對猛撲而來的美機，“武藏’號上的152門大小火炮一起開火，在巨艦上空織成了一張密集的彈網。但是，仍不能有效阻擋美魚雷機的攻擊。不一會兒，就有3條魚雷和3枚炸彈擊中了“武藏”號右舷。
12時整，36架TBD“掠奪者”式魚雷攻擊機和24架TB“複仇者”式魚雷攻擊機，在18架“惡婦”式戰鬥機的掩護下，對栗田艦隊進行了第2次空襲。在紛紛墜落的炸彈中，又有3枚重磅炸彈和2條魚雷擊中了“武藏”號，其中2枚穿透了兩層甲板後爆炸，造成巨大破壞。
12時22分，第3攻擊波的42架飛機又蜂擁而至。“武藏”號戰列規再遭劫難，又有3條MK-13型新式魚雷擊中“武藏”號右舷，劇烈的爆炸幾乎把右舷的外裝甲全部撕裂。此後，4枚重磅炸彈又命中同一部位，使海水大量湧入，艦首開始下沉。
14時22分，60架美機又發起了第4次攻擊，僅“武藏”號就遭到近40架SBD“無畏”式俯衝轟炸機和TBD“掠奪者”式魚雷攻擊機的攻擊。被8枚炸彈命中後，這艘巨艦的上層建築全部被破壞，艦首繼續下沉。
15時左右，近100架美機又前來光臨栗田艦隊。美“企業”號航空母艦上的飛行大隊長史密斯海軍中校，帶著12架SBD“無畏”式俯衝轟炸機直撲“武藏”號，接著10架TBD“掠奪者”式魚雷攻擊機又呼嘯而來，頃刻間就有12枚重磅炸彈和11條MK-13型魚雷命中“武藏”號。“武藏”號一下子就消失在魚雷和炸彈爆炸所激起的衝天水柱和團團濃煙之中。15時55分，這艘“永不沉沒的戰列艦”翻轉著它那龐大的身軀，帶著遍體鱗傷沉入了錫布延海，長眠在那海藻叢生的海底，為“武藏”號陪葬的艦員近2500人。
此時，日軍艦隊雖然遭到了重創，但整個艦隊仍具有相當強的戰鬥力。為暫時避開美軍的攻擊，栗田中將下令：“緊急撤退！”實際上是為了給哈爾西製造一個假象。
16時22分，哈爾西得知日艦隊撤退的消息後，便判斷日本人損失慘重，正在落荒而逃。他們已不可能對美登陸部隊構成任何威脅了，因而也就沒有進行正準備實施的第6次空襲。可是，一直沒發現日本人的航空母艦，卻使哈爾西焦急不安。日本人的航空母艦究竟在哪兒？
此時，正在向南急駛的小澤心急如焚，因為他得知栗田艦隊已經遭到美機猛攻後，就一再發出明碼電報，以期引起哈爾西的注意。然而，哈爾西的飛機正在猛烈地轟炸栗田，根本沒有發現小澤這塊送到嘴邊的“肥肉”。“誘餌”不靈，小澤也隻好豁出去了，主動發起攻擊。
10月24日下午15時，小澤幾乎出動了全部作戰飛機，向美軍第3艦隊的一支輕型航空母艦特混艦隊大模大樣地發動襲機。
當第一攻擊波60餘架飛機抵達美艦隊上空時，這支輕型特混艦隊僅從“埃塞克斯”號上起飛了7架“惡婦”式戰鬥機迎戰，其餘不適於空戰的艦載攻擊機隻好像擺設一樣整齊地排放在飛行甲板上。可就是這不起眼的7架戰鬥機，卻發揮了巨大作用。美軍飛行員幾乎是個個身手不凡，在半小時的空戰中，戴維·麥克坎貝海軍中校和他的僚機羅伊·拉辛格上尉擊落了15架日機，麥克坎貝獨自擊落9架，創造了太平洋戰爭中一次戰鬥單機擊落敵機的最高紀錄。
可7架飛機畢竟無法完全擋住60餘架飛機的攻擊，有近20架日機飛抵“埃塞克斯”號上空。但是，這些剛剛補充的新飛行員水平也確實太差，他們投下的炸彈竟然沒有一枚命中，隻是圍著美艦激起了無數衝天的水柱，美艦卻毫無損傷。