Вполне естественно, что сначала вышли к цели пикировщики первой японской волны, так как они вылетели раньше остальных самолетов. Начался тяжелый и кровавый бой над американским соединением. Японские летчики встретили неожиданно большое количество вражеских истребителей. Уцелевшие позднее с уверенностью утверждали, что это были самолеты не менее чем трех авианосцев, хотя сами они видели только два. Третий, скорее всего, скрывался за горизонтом на юге, что не помешало ему прислать свои самолеты для защиты «Энтерпрайза».
Во время атаки погибли 17 пикировщиков из 27, но уцелевшие добились 3 попаданий в авианосец, который теперь горел, как стог сена. Потери были очень тяжелые, плотность зенитного огня американских кораблей ужасала. Летчики говорили, что зенитки буквально окаймляли всю полетную палубу авианосца, и все-таки это не спасло американцев. Теперь следовало дождаться результатов атаки второй волны.
Однако в этот момент события пошли совсем не так, как рассчитывал Нагумо. Внезапно из разрывов туч прямо над «Сёкаку» выпали американские пикировщики. Адмирал схватился за голову, это слишком напоминало недавно пережитый ужас Мидуэя. Ведь снова ни воздушный патруль, ни этот проклятый новомодный радар не обнаружили противника. Больше десятка «Доунтлессов», ревя моторами, устремились на «Сёкаку». Капитан 1-го ранга Арима приказал положить право руля, и огромный корабль начал поворачивать, однако если кошмар повторяется, то он повторяется в мельчайших деталях. Первая бомба с ужасным грохотом взорвалась недалеко от борта, обдав мостик авианосца грязной водой и осколками, но уже вторая попала прямо в носовой элеватор. Плита элеватора провалилась куда-то вниз а из шахты вырвались языки пламени. На этот раз проклятые американцы действовали гораздо более решительно и умело, чем при Мидуэе. В считаные минуты «Сёкаку» получил одно за другим 5 попаданий бомбами. И хотя сейчас в ангаре не стояли заправленные и вооруженные самолеты, легче от этого не стало. Особенно тяжелыми были повреждения в районе кормового элеватора. Там, судя по всему, две бомбы попали примерно в одно место, и кусок полетной палубы длиной около 10 метров просто слетел за борт, образовался огненный ров от борта до борта, над которым плясали языки пламени.
А тут еще на горизонте низко над водой появилась целая стайка черных мошек — это были «Авенджеры» в сопровождении «Уайлдкэтов». Осатаневшие пилоты «Зеро» набросились на них, не обращая внимания на ответный огонь. Они пропустили атаку пикировщиков, но были полны решимости не позволить противнику добить поврежденный авианосец. Один из пилотов решительно пошел в лобовую атаку на головной американский торпедоносец. В последний момент «Авенджер» судорожно задергался, пытаясь уклониться от «Зеро», но это были напрасные потуги. Огромный огненный шар поглотил оба самолета, а сила взрыва была такой, что соседний «Авенджер» беспомощно закувыркался в воздухе и рухнул в воду, так и не сумев выровняться. В итоге ни один из вражеских торпедоносцев к «Сёкаку» не прорвался, хотя это дорого стоило истребителям. Как потом стало известно, в бою погибли 6 «Авенджеров» и 8 «Уайлдкэтов», однако это стоило японцам 10 собственных истребителей.
А примерно через полчаса после этого ударная группа лейтенанта Такахаси вышла на поврежденный «Энтерпрайз». Теперь уже американские истребители атаковали противника с отчаянием обреченных. Истребители лейтенанта Сиранэ попытались их остановить, но что могли сделать 10 «Зеро» против 30 с лишним «Уайлдкэтов»? Такахаси по радио подтвердил опасения Нагумо, он передал, что такой воздушный патруль могут держать только 3 авианосца. Японские пикировщики добились еще 4 попаданий в «Энтерпрайз», который явно испытывал проблемы с управлением, потому что двигался медленно, а повороты пытался выполнять по широкой дуге. Попытка атаковать видневшийся на горизонте второй авианосец привела лишь к бессмысленной гибели двух звеньев «Вэлов», так как истребители Сиранэ были слишком малочисленны, чтобы одновременно прикрыть две ударные группы. После этого уцелевшие «Вэлы» все свое внимание сосредоточили на кораблях сопровождения «Энтерпрайза».
9 пикировщиков атаковали линейный корабль, который выделялся своими размерами среди тощих эсминцев, однако он встретил японцев настоящим шквалом огня, превратившись в нечто вроде вулкана. 5 «Вэлов» просто разлетелись на куски, до одна бомба все-таки попала в основание передней трубы. А потом последний из пилотов, то ли потеряв управление, то ли совершенно намеренно решив добиться верного попадания, врезался прямо в мостик линкора.
Эта суматоха позволила торпедоносцам лейтенанта Имадзуки подобраться к американскому соединению вплотную, и когда американские истребители спохватились, было уже поздно. История Мидуэя повторилась, словно в кривом зеркале. Там американские торпедоносцы отвлекли на себя внимание истребителей, что позволило пикировщикам атаковать совершенно беспрепятственно, а здесь наоборот, японские пикировщики сковали боем американские истребители, что позволило торпедоносцам атаковать почти свободно. «Почти» — это потому что прорываться сквозь огонь зениток все равно пришлось. Но теперь проклятый американский авианосец получил свое. Не было никакой необходимости заходить с двух сторон, так как он все равно не мог маневрировать. 4 торпеды ударили в правый борт авианосца, и уже через несколько минут он просто лежал на борту, касаясь полетной палубой воды.
Последняя пятерка торпедоносцев атаковала линейный корабль, на мостике которого полыхал большой пожар. К сожалению, этот пожар никак не сказался на действиях зенитной батареи, и 3 торпедоносца были сбиты. Одна торпеда прошла мимо, а последний «Кейт» решил повторить атаку своего товарища и врезался в кормовую надстройку линкора. Ужасным взрывом снесло все посты управления огнем, располагавшиеся там, но, увы, таким попаданием линкор потопить было нельзя.
Получив рапорты вернувшихся пилотов, оба адмирала, ставших командующими, решили, что лучше будет поскорее покинуть район боя. Дело в том, что Флетчер был убит осколками, когда одна из бомб взорвалась в непосредственной близости от мостика. Адмирал Нагумо, когда ему сообщили, что спасти «Сёкаку» по всей видимости не удастся, ушел к себе в каюту, и больше его никто не видел. Адмирал Нойес приказал эсминцам добить обреченный «Энтерпрайз», что и было сделано. При этом эсминцы наблюдали редкую картину — попадание торпед в полетную палубу авианосца, которая к этому времени стояла уже почти вертикально. В 21.05 он перевернулся и затонул. Несмотря на все усилия команды, справиться с пожарами на «Сёкаку» не удалось, и в 04.25 адмирал Кондо приказал добить авианосец торпедами.
Попытка линкоров адмирала Абэ найти поврежденную «Норт Каролину» ничего не дала, скорости американский корабль не потерял. Японские корабли следовали на юг до 24.00, но совершенно свободно могли продолжать это занятие хоть до самого утра, так как американцы давно отошли на юг.
Итоги боя не удовлетворили ни одну из сторон. Японцы потеряли потопленными легкий и тяжелый авианосцы, гидроавиатранспорт «Титосэ» был серьезно поврежден близкими разрывами. У американцев был потоплен «Биг Э», а линкор «Норт Каролина» надолго отправился на ремонт. Этот бой стал очередным шагом в пропасть для японского флота.