美军第3特混舰队和北华军第4舰队基本是同时发现了对方，但北华军的拖延迟钝使得美军成功地实现了先下手为强，从列克星敦号、萨拉托加号、米森湾号上起飞的150架舰载机穿云破雾地出现在湖南号和河北号的上空。实际上，哈尔西手里的舰载机数量并不充足，列萨二舰刚刚维修过，每艘只能携带70多架飞机，米森湾号是护航航母，只有26架舰载机，在这同时，哈尔西获悉己方发现的北华军舰队只有2艘航母，而根据尼米兹的推测，北华军应该还有1艘航母，但哈尔西为了能最大限度地给予对方造成致命性打击，毅然把绝大部分的舰载机全部派了出去。
湖南号和河北号并不是待宰的羔羊，两舰的83架战斗机已经有60架起飞，顷刻间与来袭的美军机群展开星落云散的空中厮杀。在这一刻，知道己方舰队已经凶多吉少的蒋斌果断地打破无线电静默，采取亡羊补牢措施，给紧随在后方200海里的第5舰队发去紧急命令：我舰队在xx位置发现美军航母舰队！请立刻对其展开打击！
“我们在最脆弱的时候被敌人逮了个正着。”蒋斌万念俱灰，忍不住涌出眼泪。
空中漫天星华、烈焰卷云，飞机引擎的轰鸣声和机炮机枪的扫射声响彻天空，上百架飞机缠斗搏杀的画面令人目不暇接，金蛇狂舞般的弹火令人眼花缭乱。猛烈攻击北华军航母的美军机群不断冲击着北华军战斗机的空中防护网，零式们浴血奋战、殊死搏杀，护卫航母的巡洋舰、驱逐舰一起奋力对空开火，被击落的美军飞机犹如飞蛾扑火般接连不断地凌空爆炸或栽下云端，损失惨重，最终穿破火力网的美军飞机只有区区十来架。
但这十来架美军飞机却带来了致命性的打击。湖南号航空母舰的舰长欧阳勣在事后回忆道：“...我们的护航战斗机、防空炮、高射机枪都在竭尽全力地战斗，消灭空中来袭的美军飞机，大家都打得很好，美机就像撞上蜘蛛网的蚊子，不断地被击落，但仍然有十几架穿透了我们的防空火力网，对我们展开了攻击。在这种混战的情况下，雷达自然已经不起作用，只能靠瞭望哨来观察。我听见一个瞭望哨嘶吼道‘敌机！正上方俯冲投弹！’，我还没有来得及抬头，就听到了俯冲轰炸机那令人毛骨悚然的轰鸣破空声，接着眼前黑影一闪，就像几道黑色的闪电劈了下来。炸弹被俯冲轰炸机在几百米甚至上千米高度处投下来后，即便是做自由落体运动，落地速度也是非常快的，更何况炸弹本身还带有俯冲轰炸机的初速度。三架美军无畏式轰炸机对我的航母投下了炸弹，三颗800公斤的大炸弹、六颗100公斤的小炸弹，九颗炸弹里有一大两小共三颗命中了我的航母。当时，航母甲板上都是人和飞机，我们的轰炸机还在飞行甲板上准备起飞，最致命的是，甲板上堆满了炸弹和油罐。只感到航母幅度很小但很剧烈地震动了一下，三个黑影击中了航母，飞行甲板上陡然间出现一大两小三个窟窿。所有人都呆若木鸡地看着那三个黑洞洞的窟窿，场面就好像时间停止了，又好像所有人都被点穴了一样，我们都不敢相信这一幕，更加不敢想象接下来会发生的画面。我真的希望这只是幻觉，根本没有炸弹穿透飞行甲板装甲落进了机库里，那三个窟窿是不存在的，即便真的存在，那三颗炸弹也是哑弹。我不知道过了多久，恍若隔世的感觉，接着，我眼前亮光一闪，极度耀眼的黄红色霎那间淹没了我的视野，伴随着炸雷就在耳边炸开的巨响以及各种撕心裂肺的惨叫声，两耳嗡嗡嗡响，很快就暂时失聪了，与此同时，海啸般的滚烫气浪夹杂着强劲的冲击波一起扑面而来，将我重重地掀翻在地。...我被身边的军官搀扶起来，就像一个闯了弥天大祸的小孩子般失魂落魄地看着我的航空母舰，惨不忍睹的画面和巨大的破坏让我目瞪口呆，飞行甲板支离破碎，机库和底舱里不断升腾起巨大的火球，甲板上的飞机和机库里的飞机都在发疯般地熊熊燃烧，挂在飞机下面和堆在飞机旁边的炸弹在不断爆炸，每次爆炸都进一步地把我的航母推向了地狱边缘，滔天的大火和黑云翻腾般的烈焰冲击波中，我的航母已经彻底被破坏了，浑身大火的舰员惨叫着遍地打滚或不顾一切地跳进海里，更多的舰员已经当场被炸死了，破碎的甲板上，无数碎片狼藉散落，血肉模糊或四分五裂的尸体横七竖八，最悲惨的就是那些飞行员，他们在飞机里直接连同燃烧的飞机一起被炸得粉身碎骨，整个航母群魔乱舞、鬼哭狼嚎，而航母的底舱内部更加是熔炉炼狱，飞行甲板和二层机库里的轰炸机都在连环不断的大爆炸中彻底化为乌有，而三层机库里的鱼雷机也是一样，鱼雷被引爆后的破坏力丝毫不亚于炸弹，整个航母地动山摇、天塌地陷，化为了一个马蜂窝，无数的火球火舌从航母那犹如蜂窝般的破洞窟窿里窜出来，每一次都给航母带来了巨大的震颤，每个人都被震得天旋地转，眼前金星飞舞。到处乱放的炸弹鱼雷给航母带来了灭顶之灾，而雪上加霜的是那些输油管、加油车以及同样到处乱放的油罐，使得每次爆炸都引起了根本无法控制的滔天大火，整个航母都在发疯地燃烧，黑烟翻腾着直冲云霄，烟柱足足升腾到了几千米的高空。熊熊的烈火中，那些飞机就像熔化的玻璃般被烧得变了形，机翼都耷拉了下来，甲板上的钢板也因为剧烈燃烧和几千度的高温而卷了起来，闪烁着炼钢炉般的青红色光芒。鲜血、燃油、铁水、火舌四处横流。分崩离析得几乎快被撕裂了的舰体、席卷整个航母内外的大火、油黑冲天的浓烟、舰员们犹如掉进火海地狱般那死伤无数的惨样，让我绝望透顶、痛不欲生。我的航母已经彻底被毁掉了！仅仅三颗炸弹，我的航母就彻底被毁掉了！”
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湖南号航空母舰被命中了三颗炸弹，霎那间就引发了不可控制的大爆炸和滔天的大火，航母上是一片地狱般的画面，犹如整个航母直接被扔进了火海里，同时又好像被几只巨手给蹂躏撕扯着，大火疯狂弥漫，越来越多的炸弹鱼雷被引爆，全舰彻底崩溃。尽管舰长欧阳勣等军官们带着舰员们舍生忘死地试图控制火势，挽救这艘航空母舰，但他们的努力根本无济于事，油库被炸毁，使得发电机在高温和大火中停止工作，灭火的水泵根本无法使用，机库的防火门被完全烧毁，化学灭火机全部都不能用，已经残破不堪的甲板和同样满目疮痍的底舱里始终不断发生着爆炸，每次爆炸都几乎炸穿了航母，并掀起一片横飞的血肉。另一方面，北华军的兴登堡级中型航母本来就防御性较差，所以这场灾难是致命性的。在徒劳无用地抢救了二十分钟后，欧阳勣忍住撕心裂肺的痛苦，下令放弃这艘无力回天的航母，他派了多名传令兵，前往航母的底舱里，传达弃舰命令，但底舱已是一片火海，这些传令兵都有去无回，实际上，底舱里的舰员基本上都已经死伤殆尽了。
河北号航空母舰的命运稍微好一点，只有两颗炸弹击中了河北号，因此虽然也带来了连环不断的爆炸和疯狂燃烧的大火，但在舰长林镜寰以身作则的奋力抢救下，河北号艰难地恢复平衡，火势得到了一定的控制。可在这时，护卫河北号的信阳号驱逐舰陡然间发现一艘美军潜艇正在靠近河北号，在信阳号投掷深水炸弹的同时，美军潜艇也对河北号发生了鱼雷。
海面下红光闪烁，美军潜艇被炸成了一团废铁，而海面上也电闪雷鸣，刚刚从死亡边境线艰难地挪回来的河北号猝不及防地又承受了两条鱼雷，再次引起了爆炸和大火，彻底无法挽救了。
9时12分，湖南号航空母舰沉没于珊瑚海中东部海域；
9时38分，河北号航空母舰也沉没于珊瑚海中东部海域。
再次损失两艘航空母舰对北华军来说，是刻骨铭心的巨大创伤，最严重的是，湖南号和河北号的人员死伤极其惨重，两舰的3600多名舰员官兵，死亡率超过80%，绝大部分都是死于当场大爆炸和不可控制的大火，包括上百名训练有素的飞行员。
欣喜若狂的美军来不及庆祝胜利，北华军的反击便迅速展开了。
从库业号和渤海号上起飞的120多架舰载机呼啸着飞过正在沉没的湖南号和河北号的上空，所有的飞行员都怒目含泪、悲愤交加，对美军第3特混舰队发动了凶猛反击。出击前，第5舰队司令毛钟才和副司令袁方乔忍住眼泪和悲痛，对飞行员们说道：“你们听好！我们已经被美军击沉了五艘航空母舰！必须要挽回败局！否则，我们北华海军就是全世界的笑柄！”
“明白！”飞行员们都怒火万丈。
“也不要太着急，一个一个地打！”袁方乔嘱咐道，“要确保彻底击沉美军航母！”
“明白！”飞行员们都怒火如滔。
袁方乔心思周密，他随即派遣水上飞机飞到库业号后方的渤海号上，对舰长袁晨凯吩咐道：“我们马上要反击美军，同时也会遭到美军反击，你的渤海号立刻转过身，向后开动，这样，如果库业号有所不测，你的渤海号还能再度反击美军。”
袁晨凯凛然道：“明白！”
杀向美军的第5舰队的舰载机群在刚刚一开始就干脆利索地击沉了米森湾号护航航母，挨了多颗炸弹的米森湾号发生惊天动地的大爆炸，五分钟之内就沉没了，随即，攻击机群蜂拥着扑向飘扬着司令旗的列克星敦号，劈头盖脑地投下了复仇的炸弹和鱼雷。
短短的二十分钟内，列克星敦号累计承受了十七颗炸弹和九条鱼雷，全舰在这种饱和性的狂轰滥炸中分崩离析。为了防止这艘已经死里逃生过一次的美军重型航母会再度死里逃生，因此即便列克星敦号已经完全化为烈火中的钢铁废墟，更多的炸弹和鱼雷还在不停落下。
9时55分，列克星敦号沉没于珊瑚海中东部海域，在沉入大海后发生巨大爆炸，炸起了足足有五十多米高的巨大浪涛，全舰的2200多名舰员因为来不及逃离，死伤了1500多人。
与此同时，萨拉托加号也承受了多颗炸弹和多条鱼雷，遭到中度创伤，但由于北华军的舰载机已经耗尽了弹药，所以抓紧时间急匆匆地飞回第5舰队，准备展开第二波进攻。
第3特混舰队司令哈尔西面对北华军狂澜怒涛般的攻击，先是震惊，因为尼米兹的“北华军可能还有1艘航母”的猜测得到了证实。哈尔西断定，北华军在已经沉没的湖南号和河北号的后方，还有一艘航母，就是上次在拉包尔海战里受伤的库业号（美军一直认为台湾号已经沉没了）。此时，第3特混舰队的舰载机损失惨重，无法攻击，甚至连自保都力不从心，因此哈尔西当机立断，以自己的第3特混舰队为诱饵，给附近的第2特混舰队发去紧急电报，要求第2特混舰队立刻攻击北华军最后的那艘航空母舰。第3特混舰队的任务本来就是迎接和护卫第2特混舰队，所以第2特混舰队就在第3特混舰队附近200多海里外。
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第2特混舰队在昨夜的激战中损失很严重，大黄蜂号和企业号航母都因为受损而无法再出动飞机，因此舰队司令斯普鲁恩斯少将命令约克城号起飞舰载机，攻击北华军的库业号。
血战到此时，双方都杀红了眼。
实际上，此时双方三支舰队的位置形成了一个不等边三角形，美军第2特混舰队其实比第3特混舰队更靠近北华军第5舰队，因此从库业号和渤海号上起飞的舰载机还没有回到舰队，约克城号的舰载机已经提前飞到了库业号的上空，但美军没有发现在库业号后方约五十海里的渤海号。
猛烈的攻击中，约克城号出动的50多架舰载机损失殆尽，但成功地把五颗炸弹扔到了库业号的舰身上，引起多处大火。舰长徐祖善急忙率领全体舰员抢救航母，但库业号也是临时修复的，很多地方都没有真正地修复完成，所以这五颗美军炸弹给库业号造成极大的重创。
一场悲剧性的意外在库业号上发生了。此战，北华军的军舰使用的燃油都是从婆罗洲开采出来的原油炼制而成，这种原油的特点就是易于挥发。美军飞机投下的炸弹炸裂了库业号的燃油舱，致使大量燃油泄露，并挥发成粘稠的油气，继而在航母内部越聚越浓。美军飞机被全部击落后，库业号的损管人员拼命抢救受伤的航母，为了排除航母内部的高浓度油气，某个粗心大意的损管人员直接打开了通风管电扇，结果，开关的电火花霎那间引爆了航母内部的高浓度油气。
“那景象就好像有一颗巨大的云爆弹在库业号的内部炸开了。”这是护卫库业号的汉江号重型巡洋舰上官兵们的看法。
油气爆炸虽然没有摧毁库业号，但把薄弱的飞行甲板全部炸飞，内部设施都荡然无存，航母上人员死伤惨重，1700多名舰员有1000多人当场死伤，根本就没办法再抢救这艘刚刚击沉了美军列克星敦号重型航母的英勇战舰了。
10时30分，出击的第5舰队的舰载机返航回舰队，飞行员们瞠目结舌地看到上层建筑已经不复存在的库业号。袁方乔当机立断，给空中飞机下令：“飞向后方的渤海号！”
出击机群回来的共88架，渤海号最多携带52架飞机，飞行甲板上最多只能让14架飞机起飞降落。这么多飞机根本无法全部停在渤海号上。袁晨凯命令道：“轮番降落！降落下来的飞机加油装弹后立刻重新起飞！”