南雲於14時出動第一組攻擊機群攻擊美軍航母編隊；共27架攻擊機，由10架戰鬥機護航。15時，南雲又派出第二組攻擊機群，共27架攻擊機，由9架戰鬥機護航。
同時，先後兩架日軍偵察機飛到美軍航母編隊上空，都被美艦隊擊落。弗萊徹下令作好防空準備，增加了在空中警戒和甲板上待命的戰鬥機數量，把形變成防空隊形，為了分散日攻擊機的兵力，兩個艦隊拉開了十多海裏的距離。
幾分鍾後，“企業”號航空母艦雷達發現88海裏外有批日軍飛機飛來，兩艘美軍航空母艦上的13架轟炸機和12架魚雷機立即起飛，前去攻擊日軍航空母艦。在甲板待命的戰鬥機立即起飛，結果空中擔任警戒的戰鬥機達到53架。
16時25分，美軍戰鬥機報告發現了日機。由於空中飛機的數量太多，造成了通訊阻塞，前去截擊的命令未能及時發出。
16時29分，日軍機群距離“企業”號30海裏，分成幾隊撲來，結果，美艦雷達的顯示屏上圖像十分混亂，美艦空戰指揮官分不清敵我，放棄了指揮。
美軍戰鬥機在距離“企業”號25海裏處與日機遭遇，進行了激烈的空戰，擊落6架日機。
16時40分，日機向“企業”號進行俯衝轟炸。“企業”號周圍有9艘軍艦護衛，林立的艦載高射炮進行了空中封鎖，“企業”號還不斷地轉彎進行躲避。由於日軍飛行員的素質大大下降，再加上美軍的防空炮火太猛，日軍魚雷機在投擲魚雷前就被擊落，隻有幾架轟炸機投彈，“企業”號被擊中3顆炸彈，引發了大火，艦體傾斜。
日機飛走後，艦員們隻用了1小時就撲滅了大火，恢複艦體的平衡，航速高達24節，仍能回收飛機。
南雲艦隊的第二組攻擊機群沒有發現美航空母艦，由於燃油消耗過半，被迫返航。
在“企業”號起飛的11架轟炸機和7架魚雷機也沒有找到南雲艦隊，美艦轟炸機在瓜島機場降落，魚雷機在航母上降落。從“薩拉托加”號起飛的2架轟炸機和5架魚雷機碰巧發現了日軍的先遣艦隊，擊傷了“千歲”號水上飛機母艦。
弗萊徹指揮艦隊回收了飛機後，天已經黑了，為了躲避夜戰，連忙向南駛去。
8月24日9時35分，日軍增援艦隊駛入馬萊塔島以北海域被美偵察機發現，瓜島的航空隊馬上起飛8架俯衝轟炸機進行空襲，運輸船“金龍丸”號沉沒，旗艦“神通”號巡洋艦和另1艘驅逐艦被擊傷。接著，由聖埃斯皮裏圖島起飛的美軍轟炸機趕到，將日軍“睦月”號驅逐艦擊沉。由於沒有空中支援，再加上運送的部隊大半葬身海底，日軍增援艦隊被迫返航。