在冢原二四三的攻击机群起飞之前，数量远少于机动舰队的大黄蜂号舰载机编队已率先起飞去进攻炮击舰队，力图为已覆灭的TF64编队报仇。为此次进攻，金凯德除留下12架F4F战斗机外，冒险将大黄蜂号上剩余的飞机（扣除清晨派出去的16架SBD，本还剩71架飞机）抽调一空，组成了59架飞机的进攻编队，由威廉-韦德海姆少校担任进攻总指挥，并以韦尔奇和约翰逊驾驶的SBD为先导机。大黄蜂号进攻编队很快爬升到3600米高度，利用雨云遮蔽一路前进寻找日本炮击舰队，期间由于急风骤雨，韦尔奇一度丢失了目标，但在天气晴朗后又重新找到了正确方向。
日军炮击舰队根据侦察机发回的报告略微改变了航线，但整体依然是向西南方向全力疾驰而去，作战参谋们预计双方半小时后的距离能缩小到190海里。
美军的进展也不是一帆风顺，担任引导的SBD抵达指定位置一时间没发现舰队，便用无线电向韦德海姆报告“敌舰队不在此处”，但韦德海姆想到了中途岛麦克格拉斯基的经验，在1500米高度仍然会有丢失敌舰的可能，决定继续搜索。5分钟后，事实证明了他的判断是正确的，炮击舰队全部舰艇出现在了第二攻击波的视野里，透过云层，他看到了前后分布达14海里的日本炮击舰队主力，中间的长门、大和与陆奥三舰尤其引人注目，特别是从未公开露面的大和号更让所有美国飞行员都倒吸一口冷气。由于第一波攻击中飞行员汇报日舰队防空火力凶猛，因此他命令各机群不要直扑日本舰队最中心的大和号，而要先迂回左右两翼进攻外围，一旦敌人出现混乱再伺机攻击中心军舰。
7:47分，发现美军进攻机群的消息很快传到了大和号司令塔，瞭望哨判断这次进攻的美国机群要多于第一次攻击波，但现在炮击舰队上空已有71架零战在担当掩护，草鹿任一信心十分充分。近藤信竹依然指示舰队迅速排成轮形防空阵，同时要求零战掩护机群率先攻击，尽最大努力将敌机拦截在外。
在进攻发起前韦德海姆少校没有忘记把战场情况先通报给200海里之外的金凯德：“敌舰数量众多，恐怕还要至少再进行一轮攻击……”
几乎就在美国机群向左右两翼迂回的同时，日本舰队三式弹开始发难，然后所有美国飞行员遇到了让他们感到困惑的地方，比进攻机群数量还要多的零战机群开始猛扑过来——可敌人的航母究竟藏在哪里呢？
7:53分，在韦德海姆少校发出有关敌情电报准备攻击的当口，企业号和大黄蜂号正在接纳第一波攻击返回的飞机，看到第一攻击波返回飞机只有23架，而且还有10架带着伤，金凯德大吃一惊，但还是千方百计命令地勤们把库存飞机拿出来替换，19分钟以后，执行攻击“登陆舰队”的15架SBD和4架一无所获的SBD亦返回母舰，他盘算了一下，如果凭现有兵力发起第三次攻击的话，他还能拿出38架飞机，问题是到现在为止他还没有发现日本航母。为加快进攻节奏，他一方面催促地勤加快为飞机补充油弹，又冒险将编队航线调整为东北，准备缩短与日本炮击舰队之间的距离，为可能发起的第三波攻击节约时间。
金凯德的第二波进攻机群数量虽少于为炮击舰队提供掩护的零战机群，不过这批美军舰载机飞行员大多是参加过珊瑚海和中途岛战役的老手，经验比日本陆基零战飞行员好不少（日本水平好的飞行员都抽调到航母上去了，再加上瓜岛前期作战对有经验飞行员的消耗，陆基飞行员素质下降很快，很多都是上战场才3个月的菜鸟），所以虽然有不少飞机被击落，但美国进攻机群还是顺利地杀了进去。以左翼为例，面对炮击舰队上空飞来14架零式战斗机，担任护航的8架F4F巧妙布局，与数量多于自己的对手缠斗在一起，在他们的拼死掩护下，15架SBD甩开其余阻击的零战后立即从3500米的高度向外围舰队俯冲下去，一场长达20分钟的激烈战斗开始了。
由于这次是先进攻日本防空阵的外围军舰，在3艘战列舰四周担任护卫的重巡洋舰和驱逐舰们遭到了猛烈进攻，青叶号重巡洋舰2分钟之内吃到3颗炸弹、一颗鱼雷，舰体****15度，航速下降到只有10节；妙高、高雄、最上三艘重巡洋舰也各自吃到一颗炸弹，炸掉了一堆高炮，死了一圈水兵；为长门号担任护卫的第27驱逐战队损失特别惨重，有明号驱逐舰中了2枚鱼雷，当场沉没，夕暮与白露两舰分别吃到了一颗炸弹与一枚鱼雷，不到2000吨的小身板，在挣扎了几分钟后也宣告沉没，同战队的時雨号驱逐舰吃了一颗近失弹和一枚鱼雷，结果鱼雷居然是哑弹，有惊无险地躲过一劫，成为本战队唯一存活下来的幸运儿。
美军的牺牲也不小，首先牺牲的是承担缠斗任务的F4F战斗机飞行员，包括格兰特中尉、费舍尔中尉、怀特中尉等11架飞机被先后击落。完成俯冲投弹的SBD们有些成功拉起脱离，有些被高射炮和防空机枪击落在海里，美国指挥官韦德海姆自己的座机发动机突然过热起火，虽然他没有退缩继续猛冲，但还没有到达投弹位置发动机就彻底停转，他在最后时候丢掉了炸弹，操作飞机迫降到了海面上。
眼看海面上本方舰艇不断起火、爆炸，负责拦截却又技不如人的零战飞行员们杀红了眼，好几架飞机的飞行员想起了出发前被长官告知可以放弃飞机跳伞的情形，放弃了与F4F们一较长短的打算，找准SBD和TBF就一头撞去，飞行员在撞击瞬间跳伞，猝不及防的美军飞行员们连连中招，在通话器里急得哇哇大叫，最后也只能挣扎着跳伞。
硬生生靠着这种强行兑子的方式，零战掩护机群才堪堪遏制住了美军进攻的态势，这一轮防空战打得很猛烈，71架零式因为击中、撞击等种种因素少了32架，美军舰载机的损失也不轻，当场被击毁、坠落的飞机就达到了28架，挣扎着飞回去的31架飞机中还有很多带着伤。由于深恨这批美军飞机，哪怕在他们撤离后，不依不饶的零战机群依然咬着他们尾巴追逐了50多海里，结果双方又各自掉了6架与4架飞机。