美軍“企業”號起飛的14架魚雷轟炸機撲上來時，日艦進行了猛烈的反擊，結果7架美機被擊落，卻沒有一顆炸彈擊中日艦。
第一批空襲日艦的是“約克城”號起飛的12架魚雷轟炸機，為它護航的6架“野貓式”戰鬥機被一群“零式”戰鬥機攔截，美軍飛機被擊落過半。
進攻初期，美國海軍魚雷機連續發動了三次襲擊，自己損失了41架飛機，但運氣不佳的美軍魚雷轟炸機，幾乎沒有給日艦造成大的挫傷。
從美軍“企業”號航母起飛的37架“無畏式”俯衝轟炸機發起新一輪攻勢。
這群由麥克拉斯率領的轟炸機群，編成兩個戰鬥中隊，分別攻擊日軍航母“赤城”號和“蒼龍”號。
“赤城”號是南雲中將的旗艦，排水量達3.65萬噸，艦載飛機60～90架。
麥克拉斯的“無畏式”轟炸機嚴密編隊，爬上1萬英尺高空，躲開日軍“零式”的攔截，然後從高空向下猛撲，其中5架美機朝著日軍航空母艦俯衝下來，轟炸瞄準具緊緊咬著“赤城”號、“加賀”號甲板上紅色圓形菱堡。隨著俯衝轟炸機撕人肺腑的呼嘯聲，一道刺眼的亮光閃過，一枚炸彈在“赤城”號升降機後麵的甲板上穿了大洞，緊接著又響起一聲巨響，飛行甲板左舷後段又挨了一彈。
“赤城”號航母頓時濃煙翻滾。炸裂的甲板向上扭曲，艦載飛機噴著青色的火舌。由於甲板到處是未卸掉的輸油管，引起大火四處蔓延。更可怕的是，炸彈劈開升降機，在來不及收回彈藥庫、堆放在機庫的魚雷中爆炸開來，引起一串串猛烈的爆炸聲，機庫成了一座燃燒的火山。“赤城”號航母艦長木青下令，放水淹掉機庫和彈藥庫。
位於旗艦左舷方向的“加賀”號航空母艦也遭到同樣的命運。10時34分，8架美“無畏式”俯衝轟炸機向它猛撲過來，投下的炸彈中有4顆命中目標。第一顆在“加賀”號右舷甲板上炸開。第二顆和第三顆更是命中日艦要害，在艦橋底下爆炸，引燃了一輛加油車，使停著的飛機也隨即起火，熊熊大火包圍了艦橋。日軍艦長和一批軍官當場被炸死或燒死。第四顆炸彈掉進機庫，引起炸彈和魚雷的連鎖爆炸，勢如火山爆發，震耳欲聾。
麥斯利海軍少校率領18架“無畏式”轟炸機，稍後從“企業”號航母起飛，他們抄近路趕到日軍艦隊上空，立即展開對日軍母艦“蒼龍”號的攻擊。幾分鍾的輪番俯衝轟炸過後，兩顆炸彈將航空母艦的升降機掀到艦橋上麵，停放在甲板上的飛機立即著火燃燒。第三顆炸彈鑽進機庫，引爆了彈藥庫，發出陣陣巨響。後又炸裂了油庫，航母底艙成了一片火海。不久，主機停轉，舵機失靈，消防係統遭到徹底破壞，火勢已經不可能控製。
20分鍾後，日軍被迫放棄航空母艦。柳本柳作艦長跳進火焰中燒死。這艘癱瘓了的航空母艦，在海上漂泊4個小時後，被一艘路過的美軍潛艇發現，兩顆魚雷又擊中了航空母艦。這艘燃燒著的龐然大物最終沉入海底，艦上700多名日本官兵也隨之喪生。
到下午1時30分，“加賀”號航空母艦也保不住了。甲板下麵劇烈的爆炸，已摧毀了輪機艙，艦艇已完全失去控製。5時，南雲下令停止撲火搶救，決定放棄該艦，官兵紛紛跳海逃生。兩個小時後，儲油罐受熱爆炸，這艘航空母艦頓時被折成兩截，許多人活活困死在機房裏。艦上2000名官兵中有800多人隨著這艘3.82萬噸巨艦魂喪大海。
南雲的旗艦“赤城”號受傷後，勉強繼續航行20分鍾。後來，4架美軍魚雷機又追殺上來，“赤城”號為了躲避襲擊，緊急轉彎時造成操舵失靈。隨後在躲避另一次襲擊時，右舷渦輪機又壞了，動力越來越弱。甲板上的飛機著火燃燒，火苗快竄上艦橋。南雲中將被突然的打擊驚呆了，茫然地立在艦橋指揮塔前，久久地凝視著海麵。這位偷襲珍珠港的功臣，如今像一條喪家之犬，此時內心狂怒又無可奈何。在部下的極力勸告下，他狼狽地從艦橋的一個窗口順著繩子爬了下去，撤退到一艘驅逐艦上進行指揮。
11時30分，青木泰二郎艦長下令撤退，大部分艦上官兵乘救生艇逃到其他艦隻上，他自己仍留在艦上，指揮救火隊，企圖控製蔓延的大火。到下午7時，一切努力都失去作用，航空母艦漸漸下沉。青木隻好下令消防隊離艦。在此之前，他命令部下將自己捆綁在艙壁上，決定和他的指揮艙一道沉入海底。
午夜，燃燒著的“赤城”號仍然漂浮在海麵上。4個小時後，南雲下令驅逐艦發射魚雷將其擊沉。
南雲中將將驅逐艦“長良”號作為新的旗艦。此時，他還有一艘完好的“飛龍”號航空母艦、2艘戰列艦、3艘巡洋艦和12艘驅逐艦。他對這次海戰還未完全喪失信心。他下令“飛龍”號立即進攻敵人的航空母艦。
指揮“飛龍”號航空母艦的是海軍第2航空戰隊司令山口多聞少將。此人在日本海軍中頗有些名氣，被認為是第一流的將才，作戰勇敢，富有遠見，頭腦清醒而又能當機立斷。在其他3艘航空母艦遭到攻擊並中彈燃燒時，山口立刻下令，艦載飛機緊急出動，他知道隻有采取主動行動，找到美航空母艦並將其摧毀，才能真正挽救艦隊挨打的局麵，轉敗為勝。
上午10時50分，18架俯衝轟炸機和6架“零式”戰鬥機從“飛龍”號的甲板上起飛。帶隊的小林道雄大尉參加過偷襲珍珠港的行動，是個經驗豐富的飛行員。他在空中搜索一陣後，發現美軍一批艦載機正在返航。於是，他率隊悄悄地尾隨其後，結果雙方展開一場混戰，雖然日軍損失不小，但仍有12架轟炸機在小林道雄的指揮下繼續向美“約克城”號逼近。
美“約克城”號的雷達發現日俯衝轟炸機時，敵機離航空母艦大約還有50英裏。艦上12架“野貓式”戰鬥機立即起飛攔截。同時，第17特遣艦隊司令弗萊徹中將下令：為了防止艦隻中彈火勢蔓延和連鎖爆炸，將艦上的輸油管充滿二氧化碳氣體。
“約克城”號的戰鬥機駕駛員吸取以往海戰的教訓，迅速搶占了高度，在日軍發動進攻之前就擊落了3架護航的“零式”戰鬥機和6架轟炸機。日機對航空母艦俯衝轟炸時，又有兩架被艦上機關槍擊落。但是日軍仍有3顆炸彈擊中了“約克城”號，一顆在甲板上爆炸，引起了火災。第二顆炸彈恰巧掉進大煙囪，爆炸引起空氣倒流，使得航空母艦6個鍋爐中有5個爐膛滅了火。由於蒸汽壓力下降，“約克城”號的航速開始減慢。而第三顆炸彈穿過飛行甲板，在機庫裏爆炸，引起一場大火。
由於“約克城”號采取有效的防範措施，彈藥庫的火勢迅速被水撲滅，消除了連鎖爆炸的隱患。由於油管使用了二氧化碳，也未發生大火蔓延。輪機員重新燒燃了鍋爐，飛行甲板上的缺口用木板填補上。航空母艦以每小時20海裏的速度繼續行進。
在第一次襲擊的飛機還未返回前，山口少將又命令發起第二次襲擊。這時艦上僅剩下10架魚雷轟炸機，1時30分，這些轟炸機由6架戰鬥機護航，撲向“約克城”號發動第二次攻擊。