就在弗萊徹令攻擊機群出發後不久，美偵察機又發來了一連串不祥的情報，“在日輕型航空母艦東北60海裏，又有一艘日軍大型航空母艦”，“發現2艘敵大型航空母艦，方位340度，距離230海裏，時間14時30分”，“14時40分，發現日軍4艘巡洋艦和多艘驅逐艦，方位347度，距離225海裏”。弗萊徹欲令那批已前往攻擊“龍驤”號的美機中途轉向，去攻擊新發現的日軍2艘大型航空母艦，但苦於通訊聯絡極不通暢，隻好組織現有兵力應戰。他讓“企業”號特混大隊司令金凱德負責指揮戰鬥機阻截敵機，並下令“薩拉托加”號特混大隊與“企業”號分離，兩艦群相隔10海裏，以分散日機的突擊力量。16時剛過，“企業”號上的雷達發現日機群正從北麵接近，弗萊徹急忙讓2艘航母上所有的轟炸機和魚雷機起飛，對日本航空母艦實施反攻擊。53架“野貓”式戰鬥機在距離“企業”號25海裏的濃雲密霧中擺開了陣勢，與日機展開了殘酷的空中格鬥。美機勇敢的衝擊，打亂了日機群隊形，日機在進入轟炸航線前，就被擊落了6架。
不久，30架日本俯衝轟炸機在混戰中突破攔截網，直取“企業”號航空母艦，“企業”號奮力抗擊，防空炮彈在空中紛紛開花，染黑了雪白的雲朵。“北卡羅來納”號戰列艦射出的炮彈在空中砰砰炸響，紛飛的彈片在航空母艦上空構成了一道鋼鐵屏幕，一架架日機如撲火飛蛾般地拖著濃煙墜入大海。但是，終有數架俯衝轟炸機接連突破火網，呼嘯著俯衝到500米的高度投下了重磅炸彈。一個美海軍軍官竟激動地用他的小手槍朝著直衝下來的日機射擊，直到把子彈全部打光。“企業”號艦長戴維斯海軍上校拚命用大舷角急轉彎，但日機不顧死活的衝鋒還是起了作用，3顆炸彈直接命中飛行甲板。第一顆炸彈發出刺耳的尖叫，斜向落入甲板，這大概是一種定時的穿甲彈，當其穿過航母第一、二層甲板時並未起爆，而在更下麵的第三層轟然發出可怕的巨響，數十名水兵當場陣亡，並引起大火；第二顆炸彈命中“企業”號艦尾升降機右側10米處，2台升降機報廢；第三顆炸彈落在艦舷，炸壞水密隔艙，海水無情地湧入破口。日機對“企業”號的攻擊持續了6分種後，殘存的日機開始向北回撤，美戰鬥機全力追擊。一小時後，經過損管隊的出色搶修，受傷的“企業”號消除了輕微的傾斜，一邊以24節航速向南撤退，一邊回收尚未著艦的艦載機。
激戰中，日機沒有發現遠處的“薩拉托加”號航空母艦，使其避過了這場劫難。同樣，弗萊徹的第二批空襲機群也沒有找到近藤編隊的“翔鶴”號和“瑞鶴”號航空母艦，隻在返航時意外地發現了一個單獨行動的日軍艦群，並將其中的日軍水上飛機供應母艦“千歲”號擊傷。近藤海軍中將損失了1艘輕型航空母艦和90多架艦載機後，8月24日午夜開始向特魯克基地撤退，而田中海軍少將率領的登陸運輸隊則在驅逐艦的護送下，利用夜暗繼續向南方的瓜島駛去。25日天亮時，亨德森機場的8架“無畏”式俯衝轟炸機集中攻擊並重創了“神通”號輕巡洋艦，“睦月”號驅逐艦見狀急忙靠近，去救援他們的司令官。這時，由聖埃斯皮裏圖島起飛的B—17陸軍轟炸機嗡嗡地飛來了，“睦月”號艦長煙野海軍中校對這種高空水平轟炸機滿不在乎。在他的印象中，這種飛機對海麵目標的擊中率幾乎為零。不料恰恰有3顆炸彈準確地落在了他的艦上，當水兵們把落湯雞似的煙野艦長從海裏打撈上來時，他看著沉沒的軍艦憤憤不平地說：“混蛋！連B—17也有機會逞能了！”在拉包爾的山本司令長官見瓜島登陸運輸隊處境險惡，隻好命令田中返航。日軍此次奪回瓜島的作戰計劃就這樣夭折了。