下午2点，终于有一架飞机报告说在东北约240海里发现日军舰队，而且正在撤退。
萨师俊决心立刻出击！
于是，整个舰队所属的9艘航母一起迎风转向，各航空母舰也行动十分迅速，在15分钟内就有15个中队246架战机长空，其中包括106架战斗机、97架轰炸机和43架鱼雷机，随即第一攻击波编队浩浩荡荡地飞向日本舰队方向。整个航空舰队则继续全速东进，尽量缩短舰载机返航的距离，以接应完成攻击的飞机降落。
2点45分，萨师俊又派出了第二攻击波的264架战机。
下午4点27分，第一攻击机群首先追上了日军的补给船队，部分联军战机立即进行了攻击，击沉了日军三艘油轮，另外击伤了两艘油轮和一艘运输船。其余大部分战机继续东进，很快发现了日军舰队，并方始展开了攻击。
小泽早在15时起就知道联军航母编队正在后面进行追击，而且自己位置也已暴露，肯定会遭到美军飞机的攻击，于是下令全速向西北撤退，并以部分水面舰只组织了一支断后编队，担负掩护。随后他又将整个舰队残存的79架战斗机尽数派出，进行空中掩护。同时还三个航母编队相互靠拢，缩小间距，以便发扬护航军舰的防空火力。
联军战机临空后，与空中拦截的日军战斗机发生了激烈的空战，尽管日机数量上、性能上以及飞行员素质上都要比联军差，但仍进行了顽强的拼死苦战，协同水面的防空火力一共击落22架联军战机。但大部分联军战机还是突破日机空中拦截，对日军舰队进行了猛烈攻击，先后击沉了“飞鹰”号和“龙骧”号航母，并再次重创了受伤的“瑞鹤”号，另外掩护舰队的“雾岛”号战列舰和“摩耶”号重巡洋舰被击沉，“榛名”号和“比睿”号战列舰被重创。
由于小泽全力向西北撤退，联军第二攻击波的机群找错的方位，等到再折返回来时，敌人已经远离作战半径4、50海里之外。由于担心无法返航，于是航空指挥官下令取消了攻击，小泽舰队最终大难不死，避免了全军覆灭的命运。
看到无色已晚，加上还要搜救落水的飞行员，于是萨师俊下令取消了原定的第三波攻击。此时，日军舰队的舰载机仅剩41架，仅剩的三艘航母也都受到重创，几乎完全丧失了战斗力，已经无法对正在冲绳登陆的联军运输舰队构成威胁。
17点35分，小泽接到山本的命令，开始向本土撤退。
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