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在冢原二四三的攻擊機羣起飛之前，數量遠少於機動艦隊的大黃蜂號艦載機編隊已率先起飛去進攻炮擊艦隊，力圖爲已覆滅的TF64編隊報仇。爲此次進攻，金凱德除留下12架F4F戰鬥機外，冒險將大黃蜂號上剩餘的飛機（扣除清晨派出去的16架SBD，本還剩71架飛機）抽調一空，組成了59架飛機的進攻編隊，由威廉·韋德海姆少校擔任進攻總指揮，並以韋爾奇和約翰遜駕駛的SBD爲先導機。大黃蜂號進攻編隊很快爬升到3600米高度，利用雨雲遮蔽一路前進尋找日本炮擊艦隊，期間由於急風驟雨，韋爾奇一度丟失了目標，但在天氣晴朗後又重新找到了正確方向。
日軍炮擊艦隊根據偵察機發回的報告略微改變了航線，但整體依然是向西南方向全力疾馳而去，作戰參謀們預計雙方半小時後的距離能縮小到190海里。
美軍的進展也不是一帆風順，擔任引導的SBD抵達指定位置一時間沒發現艦隊，便用無線電向韋德海姆報告“敵艦隊不在此處”，但韋德海姆想到了中途島麥克格拉斯基的經驗，在1500米高度仍然會有丟失敵艦的可能，決定繼續搜索。5分鐘後，事實證明了他的判斷是正確的，炮擊艦隊全部艦艇出現在了第二攻擊波的視野裏，透過雲層，他看到了前後分佈達14海里的日本炮擊艦隊主力，中間的長門、大和與陸奧三艦尤其引人注目，特別是從未公開露面的大和號更讓所有美國飛行員都倒吸一口冷氣。由於第一波攻擊中飛行員彙報日艦隊防空火力兇猛，因此他命令各機羣不要直撲日本艦隊最中心的大和號，而要先迂迴左右兩翼進攻外圍，一旦敵人出現混亂再伺機攻擊中心軍艦。
7:47分，發現美軍進攻機羣的消息很快傳到了大和號司令塔，瞭望哨判斷這次進攻的美國機羣要多於第一次攻擊波，但現在炮擊艦隊上空已有71架零戰在擔當掩護，草鹿任一信心十分充分。近藤信竹依然指示艦隊迅速排成輪形防空陣，同時要求零戰掩護機羣率先攻擊，盡最大努力將敵機攔截在外。
在進攻發起前韋德海姆少校沒有忘記把戰場情況先通報給200海里之外的金凱德：“敵艦數量衆多，恐怕還要至少再進行一輪攻擊……”
幾乎就在美國機羣向左右兩翼迂迴的同時，日本艦隊三式彈開始發難，然後所有美國飛行員遇到了讓他們感到困惑的地方，比進攻機羣數量還要多的零戰機羣開始猛撲過來——可敵人的航母究竟藏在哪裏呢？
7:53分，在韋德海姆少校發出有關敵情電報準備攻擊的當口，企業號和大黃蜂號正在接納第一波攻擊返回的飛機，看到第一攻擊波返回飛機只有23架，而且還有10架帶着傷，金凱德大喫一驚，但還是千方百計命令地勤們把庫存飛機拿出來替換，19分鐘以後，執行攻擊“登陸艦隊”的15架SBD和4架一無所獲的SBD亦返回母艦，他盤算了一下，如果憑現有兵力發起第三次攻擊的話，他還能拿出38架飛機，問題是到現在爲止他還沒有發現日本航母。爲加快進攻節奏，他一方面催促地勤加快爲飛機補充油彈，又冒險將編隊航線調整爲東北，準備縮短與日本炮擊艦隊之間的距離，爲可能發起的第三波攻擊節約時間。
金凱德的第二波進攻機羣數量雖少於爲炮擊艦隊提供掩護的零戰機羣，不過這批美軍艦載機飛行員大多是參加過珊瑚海和中途島戰役的老手，經驗比日本陸基零戰飛行員好不少（日本水平好的飛行員都抽調到航母上去了，再加上瓜島前期作戰對有經驗飛行員的消耗，陸基飛行員素質下降很快，很多都是上戰場才3個月的菜鳥），所以雖然有不少飛機被擊落，但美國進攻機羣還是順利地殺了進去。以左翼爲例，面對炮擊艦隊上空飛來14架零式戰鬥機，擔任護航的8架F4F巧妙佈局，與數量多於自己的對手纏鬥在一起，在他們的拼死掩護下，15架SBD甩開其餘阻擊的零戰後立即從3500米的高度向外圍艦隊俯衝下去，一場長達20分鐘的激烈戰鬥開始了。
由於這次是先進攻日本防空陣的外圍軍艦，在3艘戰列艦四周擔任護衛的重巡洋艦和驅逐艦們遭到了猛烈進攻，青葉號重巡洋艦2分鐘之內喫到3顆炸彈、一顆魚雷，艦體左傾15度，航速下降到只有10節；妙高、高雄、最上三艘重巡洋艦也各自喫到一顆炸彈，炸掉了一堆高炮，死了一圈水兵；爲長門號擔任護衛的第27驅逐戰隊損失特別慘重，有明號驅逐艦中了2枚魚雷，當場沉沒，夕暮與白露兩艦分別喫到了一顆炸彈與一枚魚雷，不到2000噸的小身板，在掙扎了幾分鐘後也宣告沉沒，同戰隊的時雨號驅逐艦喫了一顆近失彈和一枚魚雷，結果魚雷居然是啞彈，有驚無險地躲過一劫，成爲本戰隊唯一存活下來的幸運兒。
