隨著雷克斯中校的一聲令下，「蒙特裡」號和「考佩斯」號的2個「無畏」式轟炸機中隊共計24架飛機，迅速從美軍攻擊機群裡面脫離出來，結伴向日軍的油輪編隊飛過去。沒有主力戰艦的護航，只靠6艘驅逐艦提供防空火力保護，小日本的油輪編隊顯然難以抵擋美軍轟炸機的攻擊。
在各自中隊長加勒特?托馬斯海軍少校和霍巴特?傑斐遜海軍少校的率領之下，「蒙特裡」號和「考佩斯」號轟炸機中隊分別攻擊了小日本的2艘萬噸級巨型油輪「玄洋丸」號和「清洋丸」號。2個「無畏」式轟炸機中隊各自組成一路縱隊，從3500米高空向日軍油輪發起了輪番俯衝攻擊。油輪並不是軍艦，又怎麼能夠經受得住「無畏」式轟炸機接二連三的重磅炸彈攻擊，再加上油輪上面還擁有極易起火燃燒的汽油，所以在中彈之後不到3分鐘時間裡面，劇烈的爆炸就引發了小日本油輪上面儲存燃油的連環大爆炸，整個油輪隨之側翻傾覆，10分鐘之後這2艘小日本的萬噸巨輪便先後沉進了汪洋大海之中。
在成功擊沉了「玄洋丸」號和「清洋丸」號2艘油輪之後，美軍轟炸機轉而對剩下的「東洋丸」號油輪以及護航的6艘驅逐艦展開了攻擊。但是由於美軍轟炸機數量有限，所以最終只是擊傷了「東洋丸」號油輪和2艘驅逐艦而已，不過這對於美軍攻擊機群來說，也算得上是旗開得勝了。
在分出2個「無畏」式轟炸機中隊前去攻擊日軍油輪編隊之後，雷克斯中校率領剩下的美軍飛機，開始繼續向西邊飛行，努力搜索機動艦隊蹤跡。傍晚6點25分，小澤治三郎根據油輪編隊護航驅逐艦發來的無線電報得知美軍飛機已經來襲，雖然日軍艦載機部隊在昨天的空戰之中損失慘重，但他還是勉強拼湊出68架「零」式戰鬥機前往迎擊美軍機群。為了彌補戰鬥機數量不足所造成的防禦缺陷，小澤治三郎還命令第機動艦隊的3個航空戰隊縮小間距，使得護航軍艦能夠更加靠近航母，以加強對空防禦力量。
「企業」號轟炸機中隊的約翰遜?亞當斯海軍中尉向我們回憶了當時的場景：「很快，我們的攻擊機群就遭到了日本佬戰鬥機的攔截。在我的左上方出現了10多架『零』式戰鬥機，它們每次都會先向我們的基準分隊衝過來，而我們的空中指揮官，『雀鷹』雷克斯中校就會帶領著他的戰鬥機中隊衝向它們。但最終還是有幾架『零』式戰鬥機衝破了雷克斯中校他們的攔截，不過日本佬並沒有立刻進攻我們，他們是在等待我們展開隊形進入攻擊的時刻——那是我們最容易受到攻擊的時候，因為每個飛行員都要俯衝下去，轟炸機和魚雷機之間的嚴密隊形就會隨之解散。不過這一次，約翰?米爾頓少校（『企業』號轟炸機中隊中隊長）並沒有命令我們排成梯隊進攻，而是讓我們先在高度不變的情況之下移動到自己的位置上面，然後當小隊長進入俯衝攻擊的時候我們再一起衝下去。這樣一來，我們就可以盡可能長時間地保持『v』字形編隊，而我們的後座機槍手也能夠有效地集中火力對付從後邊飛過來的任何敵機。」
小澤治三郎起飛的戰鬥機數量其實並不算少，雖然美軍方面擁有100架「地獄貓」式戰鬥機進行護航，但是由於需要分出部分兵力保護轟炸機和魚雷機編隊，所以在空戰之中雙方實力其實旗鼓相當。但是現在這些小日本飛行員的技術水平已經早就不能和他們那些當初橫行太平洋的前輩們相提並論了，經過一番空中鏖戰，美軍方面以損失4架「地獄貓」式戰鬥機、2架「復仇者」式魚雷機、1架「地獄俯衝者」式轟炸機的代價，成功擊落了45架「零」式戰鬥機，從而順利地突破了機動艦隊的空中防線，隨即開始對日軍艦隊展開猛烈攻勢。
「雀鷹呼叫長吻鱷，所有飛行員注意，以中隊為單位，相互密切配合，首先攻擊敵人航母！」看著機動艦隊已經相互聚攏在一起的3個航空戰隊的7艘航母以及50多艘戰艦，雷克斯中校心裡面不由自主地出現了一種獵人發現獵物時的興奮感。
亞當斯中尉繼續回憶了當時的場景：「前面的一大片區域裡面佈滿了高射炮彈炸開之後的黑雲，也有一些煙雲是彩色的。很快，我就可以清晰地辨認出我的左下方有2艘日本佬的航母，它們就是我之前在戰鬥簡報裡面所聽說過的那些。我選擇了距離自己比較近的那艘日本佬航母作為攻擊目標，而本傑明?蘭伯特少校的部隊則剛好選擇了旁邊另外那艘。開始進入俯衝的時候，我已經能夠清清楚楚地看見那艘日本佬航母的樣子，它就是輕型航母『龍鳳』號。我在10000英尺（大約3000米）高度打開了減速板，然後就立刻聽到了哈特?約翰遜上士（亞當斯中尉的後座機槍手）的尖叫，我抬頭向右邊看過去，看到就在距離我只有5英尺（大約1.5米）的地方，1架『零』式戰鬥機飛快地衝了過去，由於減速板的作用所以我把他甩到了前面。我的俯衝是一個漂亮而又標準的70度角俯衝，當時『龍鳳』號正在迎風行駛，考慮到風的影響和目標的運動，我把準星瞄向航母艦首稍稍靠前的地方，在1800英尺（大約550米）高度投下了炸彈。
我率領的第1小隊加上卡爾特·霍普上尉率領的6架『復仇者』式魚雷機同時攻擊了『龍鳳』號，而蘭伯特少校率領的6個小隊在看到第3艘日本佬航母之後，就立刻分成兩個部分，少校本人率隊衝向『飛鷹』號，詹姆斯?史密斯上尉則帶領另一部分飛機攻擊了『隼鷹』號。不過其實關於蘭伯特少校的那兩群飛機到底誰攻擊的是哪艘日本佬航母一直以來都是一個疑問，不過可以肯定的是，日本佬第2航空戰隊的所有3艘航母都遭到了攻擊。」
作為機動艦隊骨幹力量的第1航空戰隊現在就只剩下了「瑞鶴」號孤零零的一艘航母，它現在也是當初小日本參與偷襲珍珠港行動的那批精銳航母裡面碩果僅存的一艘了。在6月20日傍晚，「瑞鶴」號偏偏又正好遇到了一個老對頭——從珊瑚海海戰一路打到馬裡亞納海戰的潘恩·約翰遜海軍上尉，這一次，他率領「埃塞克斯」號的1個「地獄俯衝者」式轟炸機小隊再次衝向了「瑞鶴」號。
約翰遜上尉後來向我們回憶了當時的場景：「當我從12000英尺（大約3600米）高度進入俯衝的時候，那些高射炮火頓時變得非常密集，我根本找不到能夠穿過它們的路線。可是我的俯衝減速板已經打開，飛機也已經開始了俯衝，看著眼前密集的高射炮火，我感覺自己簡直就像是在流沙裡面掙扎。在這個節骨眼上，我做出了一件以前從來沒有在俯衝之中做過的事情，我關上了減速板！我的飛機隨即就像一塊大石頭一樣掉向了下面的目標，把那些高射炮火遠遠地甩在了身後。
我的速度一下子就上來了，很明顯這是由於沒有打開減速板的緣故，我根本就沒有去想拉起來的事情，只顧著從最大的俯衝角度撲向獵物。到了6000英尺（大約1800米）的時候我又試著把俯衝減速板打開，減速板居然真的打開了，從來沒有哪個人對我說過這時候它還能打開！我的飛機立刻就像被一隻無形的大手拉住了尾巴一樣，原來的高速衝剌瞬間就慢了下來，這時候，日本佬的航母已經穩穩地出現在了我的面前，正沿著它的縱軸線向我的航線開過來。直到接近2000英尺（大約600米）的時候，我才投下了炸彈。」
約翰遜上尉平時很愛護他的飛機，就像狙擊手愛護自己的槍支一樣，但是這一次，他卻顧不了那麼多了。最後有1枚大口徑炮彈在「地獄俯衝者」式轟炸機附近爆炸，引燃了約翰遜上尉座機的右翼，一塊彈片還擊中了他的後背。不過約翰遜上尉在返航途中撲滅了火焰，並且還把飛機晃晃悠悠地開回了特混艦隊，然後狠狠地砸在了「埃塞克斯」號的飛行甲板上面，當然，他投下的那枚1000磅炸彈也準確地落在了「瑞鶴」號的飛行甲板上面。
在美軍飛機的這一波攻擊之中的頭獎當屬「貝勞伍德」號魚雷機中隊的蔡斯·查理斯海軍上尉，不過整個過程卻顯得有些悲情，當時他率領著4架「復仇者」式魚雷機衝向了第2航空戰隊的「飛鷹」號，查理斯上尉的僚機之一，理查德·克林頓海軍中尉後來向我們描述了那次進攻：「查理斯上尉、史塔克頓中尉、利文斯頓中尉和我展開隊形，從不同角度接近了『飛鷹』號。因為航線的緣故，我們必須要穿過日本佬驅逐艦的外層防空火力網，然後是巡洋艦，最後是戰列艦，要想衝到合適的距離上面向日本佬航母發射魚雷，我們就只有先穿越這些屏障。日本佬的防空火力很密集，所以我一路上都在想方設法地做規避機動。
在進攻途中，查理斯上尉的飛機中彈起火了，接著，在這場戰鬥之中讓我終生難忘的一幕出現了。查理斯上尉的機組成員雷耶斯·莫裡森中士和菲利普·裡維斯下士看到飛機起火了，而飛機裡面的通話器又聯繫不上查理斯上尉，他們只好選擇了跳傘，在水裡旁觀了這次進攻，他們在那裡整整呆了一個晚上（幸好這是夏天而不是冬天），直到第二天上午才被我們艦隊的偵察機發現並且救了回來。查理斯上尉駕駛著受傷的魚雷機參與了攻擊，我們從水面上空400英尺（大約120米）的地方進入以便投放魚雷，我們的魚雷是從不同方向投下，然後在目標處會聚，這樣就可以讓日本佬的航母避無可避。莫裡森和裡維斯後來報告說，我們確實擊中了『飛鷹』號，不久之後它就沉沒了。」
當時曾經在「飛鷹」號上面服役的日本老兵大津和野海軍下士在戰後回憶了當時的場景：「我站在艦艉的機槍座上，士官長加籐弘義閣下聽到一聲大吼：『魚雷！』，於是他立刻開始數數，當數到12的時候，他覺得魚雷應該過去了，不由得鬆了一口氣，但是偏偏就在這個時候，一陣劇烈的爆炸震動了『飛鷹』號，士官長閣下數快了。不久之後，第2條魚雷又命中了航母，火焰開始沿著飛行甲板逐層蔓延開來。艦上的電也停了，航母癱瘓在水面上，開始逐漸向左邊傾斜。
棄艦的消息傳了出來，但是在航母最尾端的士官長等幾十個人卻沒有聽到正式的棄艦令，所以他們拒絕離艦。但是航母很快下沉，海水開始湧向他們的機艙，這些人只好離開自己的戰鬥崗位，走到欄杆旁邊準備跳海逃生。但是他們的長官，一名年輕的少尉阻止了他們：『站住！』，少尉惡狠狠地拔出自己的佩劍，命令大家唱起了《君之代》。歌聲開始從人群之中飄了出來，直到海水漫到了他們的膝蓋為止。士官長回過頭，藉著熊熊燃燒的火焰，他看見少尉整個人都已經沉在了水裡面，不過雙手卻仍然緊緊地抓著艦艉的欄杆和手裡面的佩劍。『飛鷹』號艦艉已經沉沒，艦艏則高高抬起，猶如一支巨人的手指矗立在海面上。晚上8點32分，『飛鷹』號最終保持著這種垂直的姿勢沉入了茫茫大海之中。」
與此同時，其他美軍飛行員也分頭攻擊了其餘的小日本軍艦，經過一番激戰之後，日軍航母「隼鷹」號、「龍鳳」號、「瑞鶴」號、「千代田」號以及戰列艦「榛名」號、重巡洋艦「摩耶」號都被美軍飛機炸傷。另一方面，在小日本戰鬥機和高射炮的聯合打擊之下，美軍方面又損失了13架飛機，其中包括6架「地獄俯衝者」式轟炸機、3架「地獄貓」式戰鬥機、3架「復仇者」式魚雷機、1架「無畏」式轟炸機。