以来，第五舰队终于首度发现一直躲藏在侦察距离外的敌舰队。可时机却极为尴尬，因为双方舰队距离275海里，第58特遣舰队若发动进攻则将使其舰载机面临危险的夜间降落。米契尔虽然左右为难，但为免坐失战机，依旧发下唯一有可能的指令:出击!16:21分第58特遣舰队第1、2、3支队(除掩护第7支队战斗舰的第4支队外)派出216架飞机进攻，启动这场海战中第五舰队唯一一次的攻势。
16:15分日军方面也发现美舰队，17点25分甲队唯一的航空母舰瑞鹤出动7架**机去攻击，前卫部队的栗田中将也因为收到夜战命令而向东进。但美军飞机已先赶到日舰上空，开始攻击日舰。被美机发现后，小泽下令舰队向西北各自高速逃脱，并抛弃补给舰队。
18:40分，美机抵达补给舰队上空，重创两艘油轮，两舰后来都被迫自沉。随后一心想寻找日本航空母舰的美机群飞到日本舰队上空，日落前展开匆忙的攻击。中型航空母舰飞鹰号被一枚**击中，引发大火，2小时后沉没，而空母隼鹰、龙凤、千代田、瑞鹤、战舰伊势、重巡摩耶都被**击伤，其中小泽的旗舰瑞鹤伤势较重。
日本在这波攻击中又损失65架飞机，美国则损失20架。