第一攻擊波出發後半小時，48架“零”式戰鬥機、13架“彗星”式俯衝轟炸機和27架“天山”式魚雷攻擊機在2架搜索機的引導下，組成了更大規模的第2攻擊波，它們從“大風”號、“翔鶴”號。“瑞鶴”號航母升空後，成編隊向東進擊，很明顯，這個日機群的指揮官從無指揮大編隊作戰的經驗，竟帶領機群朝栗田前衛編隊的上空飛去，造成海麵上的戰列艦、巡洋艦開炮誤傷了己方的6架飛機。10時40分，“獵殺馬裏亞納火雞”式的空戰開始了，美軍飛行大隊長麥坎普貝爾海軍中校身先士卒，第2次投入戰鬥，他一次次衝入“彗星”俯衝轟炸機隊列，一舉擊落4架，直至把炮彈打光。“惡婦”式戰鬥機占據了絕對優勢，隻要有一架日機企圖帶領幾架飛機衝出隊列，“惡婦”式戰鬥機飛行員就會像牧童那樣，把它們重新趕回機群裏，防止日機散開。“嗨，這真像古代捕殺火雞啊！”一位飛行員欣喜若狂地叫起來，無線電裏充滿了亂哄哄的狂叫和咒罵聲，警告和鼓勵戰友的喊聲。大約有20餘架日機頑強地突破了“惡婦”式戰鬥機的重重包圍，但是剛一接近戰列艦群就被防空火網收拾了。兩架“天山”式魚雷攻擊機勇猛地撲向美環形艦陣的中心，即李海軍中將的旗艦“印第安納”號戰列艦，對準其巨大的艦身射了魚雷後，隨即便被炮火撕成了碎片，日機飛行員至死都未看見兩條魚雷均偏離了目標。就在這同一時刻，又一架“天山”式突入“印第安納”號右舷，但是未能投下魚雷就被擊中起火，燃燒的日軍攻擊機帶著桔黃色火焰猛然撞向戰列艦舷側，炸裂的飛機破片擊中了正好在附近甲板上的5名艦員，“印第安納”號右舷留下了重重的擦痕。11時50分，6架日軍“彗星”式艦載俯衝轟炸機突破被美軍戰鬥機封鎖的空戰區域，向西撲向蒙哥馬利海軍少將的第2航母特混大隊，其中4架對“黃蜂”號航母扔下4顆炸彈，均未直接命中，隻有1顆炸彈在“黃蜂”號上方爆炸，引燃了飛行甲板上的一些燃燒彈，造成一場小火災。另外兩架向“邦克山”號航母急劇俯衝，投下了兩顆近失彈。炸彈在水中爆炸，彈片擊穿了飛機升降機和附近的艦體，引起幾處火災，但立刻被撲滅了。日第二攻擊波的128架艦載機損失非常慘重，隻有28架飛機返回了母艦。
第2攻擊波離艦半小時以後，雖然日軍第1機動部隊第2大隊的“鷹隼”號、“龍鳳”號出動引架艦載機組成了第3攻擊波，但由於飛行員大多訓練不足，造成迷航，隻有13架“零”式戰鬥機、9架“零”式戰鬥轟炸機和9架“天山”魚雷攻擊隊形成了攻擊力量。惟一的戰果是在“埃塞克斯”號航母90米處投下一顆近失彈，自己卻反而丟了幾架飛機。