Вечером 3 марта американская подлодка «Кингфиш» обнаружила линкоры противника в 240 милях к югу от о-ва Кыска. Спустя полчаса лодка была потоплена японским эсминцем, поэтому не успела сообщить, что вслед за линкорами движутся корабли адмирала Кондо. Однако субмарина «Кэтфиш» радировала, что видит 4 авианосца — это был отряд Нагумо.
Примерно в это же время воздушные разведчики японцев сообщили об обнаружении одного большого и одного малого авианосца к западу от Кыски. Причем одинаковые донесения прислали сразу два самолета, патрулировавшие разные сектора. Либо пилоты обнаружили один и тот же отряд, но ошиблись координатами, либо американцы все-таки ввели в строй большой английский авианосец. После недолгих раздумий Ямамото решил не рисковать и отдал Нагумо приказ послать торпедоносцы и пикировщики по обеим целям. Сам же он со всеми линкорами и соединением Кондо направился на Ата, чтобы покончить с отрядом Кинкейда. В это время атакующие эскадрильи уже поднимались с палуб американских авианосцев.
Дальнейший ход Алеутского сражения с подробным разбором взаимных ошибок стал темой многочисленных книг и фильмов, созданных в последующие десятилетия. Как выяснилось уже через несколько часов, командующий американским соединением контр-адмирал Флетчер не догадывался о существовании отряда Кондо и все сообщения о группе из четырех авианосцев относил к отряду Нагумо. Японцы же слишком поздно поняли, что в распоряжении Флетчера вовсе не один и даже не два больших авианосца. В это сражение американцы сумели выставить «Хорнет», «Илластриес» и считавшийся давно потопленным «Йорктаун». Кроме того, в ударное соединение Флетчера входили эскортные авианосцы «Сэнгамон», «Свани», и «Санти», каждый из которых мог поднять 30 самолетов.
На рассвете пикирующие бомбардировщики с «Дзуйкаку» и «Секаку» обрушились на десантный караван Кинкейда, потопив два эсминца, танкер и пять транспортов с войсками, а также повредив крейсер, эсминец подводную лодку. Одновременно взлетевшие с «Фукурю» пикировщики и торпедоносцы вышли на отряд огневой поддержки и нанесли повреждения линкорам, авианосцам и двум крейсерам. Атаки американских истребителей и огонь зенитной артиллерии причинили японцам солидные потери, но «Индиана» потерял ход и вторую башню главного калибра.
Одновременно завязалась дуэль авианосцев: около сотни американских самолетов атаковали соединение Нагумо, а японские самолеты отправились бомбить «Илластриес» и «Хорнет». Несмотря на чудовищные потери от средств ПВО, некоторым машинам удалось прорваться сквозь огонь и поразить цели. Через два часа после рассвета горели «Илластриес», «Хорнет», «Свани» «Сорю» и «Корю», а «Санти» затонул после трех попаданий крупнокалиберных бомб.
Около полудня, когда поредевшие эскадрильи вернулись на поврежденные авианосцы и обе стороны подняли в воздух самолеты второй волны, возле Кыски начался артиллерийский бой. «Ямато», «Мусаси» и «Нагато» открыли огонь по «Индиане» и «Вашингтону», а «Муцу» и «Харуна» взялись за «Нью-Йорк». Вокруг сцепившихся крупнокалиберными клыками великанов кипели мелкие схватки крейсеров, эсминцев и подлодок. Два конвойных авианосца послали свои машины в самоубийственный рейд, итогом которого стали потопленный «Хосио» и тяжело поврежденный «Муцу». На «Лонг-Айленде» и «Шенанго» не оставалось истребителей для самообороны, поэтому самолеты с «Дзуйкаку» беспрепятственно отправили оба корабля на дно.
В лучшем положении оказался флагманский «Йорктаун», присутствие которого оставалось для японцев загадкой вплоть до 14.40, когда отправленный на разведку гидроплан обнаружил один большой и один малый авианосцы противника в сопровождении крейсера и трех эсминцев. Таким образом, в первые несколько часов сражения никто не бомбил отряд Флетчера, тогда как «Йорктаун» и «Сэнгамон» дважды нанесли удар по соединению Нагумо, повредив бомбами палубу «Акаги» и потопив торпедами «Сорю».
Около трех часов дня командирам схлестнувшихся флотов стал понятен расклад сил. К этому времени стороны потеряли примерно четверть кораблей и треть самолетов, но были полны решимости биться до полной победы. Флетчер приказал «Хорнету» и «Санти» переключиться на соединение линкоров и авианосцев, а сам с оставшимися тремя авианосцами, продолжил избиение отряда Нагумо. Между 15.30 и 16.15 американские самолеты потопили «Секаку» и «Корю» и поразили «Дзуйкаку», а торпедоносцы повредили «Харуну» и добили едва державшийся на плаву «Муцу». Тем временем японские линкоры, потопив «Индиану» и «Нью-Йорк», погнались за отступающим на северо-восток горящим «Вашингтоном».
В сумерках японские самолеты трижды атаковали «Хорнет», который загорелся, так что Флетчеру пришлось перенести флаг на крейсер. Горящие корабли стали отличной мишенью для подводных лодок, которые пустили ко дну «Йорктаун», «Акаги» и «Свани».
За ночь стороны проанализировали ситуацию и подсчитали потери. Отступать никто не собирался, поэтому на рассвете возобновились стычки между рассеявшимися по океану отрядами. Ямамото продолжал преследовать отходивший к острову Адак линкор «Вашингтон», настиг противника в сотне миль от острова Адак и расстрелял орудиями главного калибра. Сразу после этого на японские линкоры обрушилась базовая авиация США, и оказалось, что исполинские «Ямато» и «Мусаси» плохо защищены от воздушных атак, зенитных пушек мало, и они плохо защищены. Американские самолеты расстреливали японских моряков из пулеметов, а громадные 18-дюймовые пушки плохо помогали против десятков самолетов. Ямамото приказал отходить под защиту авианосцев, но «Мусаси» уже тонул, а «Ямато» после шести торпедных попаданий не мог раздать скорость выше 14 узлов.
К вечеру 4 марта в распоряжении Флетчера оставались только 3 крейсера и 6 эсминцев. Из тяжелых кораблей японцы сохранили «Нагато», а также тяжело поврежденные «Ямато», «Харуна» и «Дзуйкаку». Американский флот погиб, причинив противнику тяжелейшие потери. Ямамото не решился атаковать Адак и приказал отходить в Пёрл-Харбор. Судьба войны за Тихий океан зависела от того, кто сумеет первым восстановить силы и введет в строй хотя бы несколько авианосцев.
Накануне участники Багдадской конференции (англосаксы называли эту встречу неблагозвучным словом «саммит») сильно поругались, обсуждая польский вопрос. В конце концов Черчилль смекнул, что не стоит портить отношения из-за ерунды. Лишь поздно вечером главы держав подписали протокол, согласно которому восточная граница Польши пройдет по «линии Керзона», а на западе «уродливое детище» может получить кое-что за счет Германии. Сталин же согласился не считать эмигрантское правительство в Монреале враждебным, но добился, чтобы в протокол был включен важный пункт: будущее руководство Польши не приедет из-за границы вместе с армиями союзников, но будет сформировано после всеобщих выборов с участием всех политических сил. Ранее подобная договоренность была достигнута по поводу Ирака.
Утром 28 апреля вся компания, по предложению советской стороны, отправилась в городок Тикрит. Маршал Буденный обещал устроить настоящий пикник в райской местности — с водкой, шашлыками и национальными плясками. Когда бронированный «паккард» преодолел примерно половину расстояния, Молотов флегматично высказался: