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日軍的飛行員實戰經驗豐富，這是他們佔有優勢的地方。張起帆編隊徹夜向南航行，離開了風雨交加的海面，8日已進入天氣晴朗的海域。而日軍艦隊仍然在風雨交加的海域活動，當時雲籠霧罩的天氣使日軍艦隊難被發現。這次海戰實際上是雙方航空母艦編隊同時發起的一場戰鬥。9時至9時25分，中國航空母艦的突擊機羣先後出擊。“龍天”號航空母艦第一批起飛的飛機爲36架：2架戰鬥機掩護21架俯衝轟炸機，4架戰鬥機掩護9架魚雷機。10時30分許，俯衝轟炸機羣率先發現日本航空母艦。日軍艦隊以疏開隊形航行，並有警戒艦隻護航。就在飛行員們藉助雲層的掩護等待魚雷機到來的時候，“瑞鶴”號航空母艦已消失在暴風雨之中。於是，“翔鶴”號成了中國飛機的唯一攻擊目標。
當中國魚雷機接敵時，俯衝轟炸機已開始了俯衝。兩支攻擊機羣配合默契，但戰果甚微。由於中國的魚雷機航速相對較低，容易規避，倒是俯衝轟炸機的攻擊卓有成效，擊中“翔鶴”號航空母艦兩顆炸彈。“飛衛”號輕型航空母艦的突擊機羣比“龍天”號的晚出動10分鐘，其中有12架俯衝轟炸機未能發現目標，只有11架魚雷機和4架偵察轟炸機發現了日軍。中國飛行員投射的魚雷還是沒有能夠命中，仍然是俯衝轟炸機對已經中了兩顆炸彈的“翔鶴”號再次命中了一顆炸彈。這3顆炸彈就使“翔鶴”號航空母艦失去了作戰能力。由於該艦飛行甲板損壞，已不能收容飛機，高木下令其脫離編隊返航。
幾乎在中國海軍的飛機起飛的同時，日軍也有70架攻擊機和20架戰鬥機離艦。這些日本飛機離中國軍艦還有70海里的時候，就被中國海軍的雷達發現。但是在雙方攻擊之前，中國海軍只有3架戰鬥機得以攔截敵機。日軍飛機在距中國艦隊20海里外，尚未受到中國戰鬥機截擊時，就分成三個機羣，其中兩個是魚雷機羣，一個是轟炸機羣。
此時中國海軍的3艘航空母艦，同在一個環形警戒序列之中。規避運動逐漸使各艦之間的距離加大，警戒艦隻也隨之一分爲三，這樣無形當中削弱了警戒，這顯然是對日軍的攻擊有利的。
最先遭到攻擊的“龍天”號成功地避開了日本飛機發射的魚雷，但被擊中一顆炸彈。但這艘航空母艦的戰鬥力並沒受到多大削弱。比“龍天”號的噸位小很多但機動性能差些的“飛衛”號在日本魚雷機同時從艦首兩舷的同時“夾擊”下，遭到重創。由於左舷被擊中兩條魚雷，致使三個鍋爐艙進水。與此同時，又被擊中兩顆炸彈，但這兩顆炸彈沒有造成多大損傷。該艦中雷引起艦體傾斜，調整重油後，恢復了平衡。該艦的主機沒有受損傷，航速仍可達到24節。對完成攻擊任務後返航的飛行員來說，這艘航空母艦依然完好無損。
中國海軍開始回收返航的飛機時，認爲已經贏得了這次戰鬥的勝利。張起帆的兩艘航空母艦均未受到致命的損傷。與此相反，日本航空母艦“翔鶴”號已經喪失了戰鬥力，“瑞鶴”號無法容納全部飛機，只好讓這些飛機去別的航空母艦。高木能用於作戰的飛機僅有19架，而張起帆尚有47架攻擊機和22架戰鬥機可以作戰。
張起帆和林陌仟儘管知道現在中國海軍處於相對有利地位，但卻未能利用這一有利條件。因爲“飛衛”號航空母艦12時47分發生了爆炸。這是發電機爆出的火花迸到從破裂油管裏漏出的汽油上所引起的。起初，看來不會造成多大危險，“飛衛”號繼續收容飛機。但到了14時45分，發生了更嚴重的爆炸。火勢迅速蔓延而無法控制，只好呼救。雖然“龍天”號和“飛天”號收容了在空中的“飛衛”號的飛機，卻未來得及轉移已經降落在“飛衛”號的飛機，艦上烈火熊熊，艦體頻頻劇烈震動，全體艦員只好離艦了。全體艦員奉命離艦後，張起帆派一艘驅逐艦前去把“飛衛”號擊沉。驅逐艦接連發射了5條魚雷，才使這艘航空母艦於19時56分消失在太平洋的波濤之中。
返航的日軍飛行員報告說，已經擊沉了兩艘中國航空母艦。高木作出了非常樂觀的估計，並將此情況向南雲忠一和山本五十六作了報告。這種誇大戰果的主觀臆斷，使南雲忠一決定讓受傷的“翔鶴”號航空母艦返回新加坡，也促使山本五十六決定讓整個突擊部隊撤離戰場。雖然已經擊沉兩艘中國航空母艦，有部下建議使用“大和”號的巨炮摧毀特魯克港，但山本五十六仍然認爲必須推遲實施特魯克港的登陸作戰。顯然，他已感到難以保護登陸部隊不受中國岸基飛機的攻擊，而仍然具有強大戰鬥力的“伏羲”號的巨炮也是他另外感到擔憂的因素。
山口多聞強烈反對突擊部隊撤離戰場，8月18日24時他試圖前去全殲中國海軍的“殘餘部隊”。山口編隊改變航向，向南、向東搜索前進。但是這時張起帆的艦隊已經遠遠離去，日軍無論如何是追趕不上了。
