8月23日，由田中少将率领的瓜岛增援群由特鲁克起航南下，同时在索罗门群岛警戒的潜艇在马莱塔岛东南海域发现美特混舰队。主力群遂以战斗序列急速南下，企图寻机歼灭美国舰队。
8月24日上午，大雾笼罩着海面，日舰队在雾气中时隐时现。9时，日舰队的阵位是：田中的增援群位于瓜岛以北250海里处；南云指挥的"翔鹤"号、"瑞鹤"号航空母舰在田中东面40海里的方位作掩护；以"龙骧"号为主的牵制群在南云部队的右前方。
9时5分，一架美军水上飞机发现了山本精心设计的"诱饵"——"龙骧"号轻型航空母舰。这是日本在1923年建造下水的最早的一艘航空母舰，排水量仅8000吨。美侦察机发现目标后立即发回报告，但弗莱彻不相信。昨天3批美机都未发现日舰队，难道今天它就会从海底冒出来吗？直到下午1时美舰雷达发现了由"龙骧"号起飞的轰炸机前去轰炸瓜岛亨德森机场，他才下令"萨拉托加"号航空母舰上的30架轰炸机和8架鱼雷机前往攻击"龙骧"号。
由于此时日本的军舰尚未装备雷达，因而直到38架美机飞临"龙骧"号上空，"龙骧"号才发现美机来袭，舰长一声令下，"龙骧"号转向逆风行进，准备让自己的飞机升空，但此时也正是航空母舰最容易受到攻击的时候。果然，美机抓住这一有利时机从高空俯衝而下，霎时就有4颗炸弹在"龙骧"号的甲板上爆炸。与此同时，8架鱼雷机也迅速从左右两侧同时进入攻击位置，施放了鱼雷，规避不及的"龙骧"号又中了一条鱼雷，当晚8时，"龙骧"号沉入大海。
当"龙骧"号作为山本计划中的牺牲品受到美机如狼似虎般的攻击时，南云忍不住心中暗暗高兴，认为敌机已被引开，向美航空母舰实施主要突击的时机已经到来。恰在这时，"筑摩"号巡洋舰派出的侦察机发回了发现美舰编队的报告。南云当即下定决心，举其全力进行攻击。中午1时，首先从"翔鹤"号派出27架轰炸机和10架战斗机，1小时后，又从"瑞鹤"号派出了27架轰炸机和9架战斗机。
16时2分，"企业"号上的雷达发现了一群空中目标。这正是南云派出前来攻击美舰的日机。弗莱彻急忙下令甲板上待命的飞机升空进行拦截，使在空中警戒的战斗机增加到53架。同时"企业"号上仅存的11架轰炸机和7架鱼雷机也与"萨拉托加"号上的5架鱼雷机和2架轰炸机合兵一处，前往攻击日舰。至此，弗莱彻已把他的全部家底亮了出来。
双方机群在距离"企业"号25海里处的浓密云层中摆开阵势，周围几海里的天空中充满了空战时那种特有的尖厉刺耳的喧嚣声。不久，攻击"龙骧"号后返航的俯衝轰炸机和鱼雷机也赶来投入了战斗。
由于美军舰炮的拦阻射击相当厉害，加上日本飞行员的素质比突袭珍珠港时下降了许多，所以鱼雷机在进入攻击位置之前均被击毁，只有少数几架轰炸机得以突破进行攻击。"企业"号舰长戴维斯上校拼命用大舵角急转，规避天空飘下的炸弹。但日机单机鱼贯而入，每隔7秒钟就有1架不顾死活地进行俯衝轰炸，至16时45分，"企业"号被击中3颗炸弹。尖叫刺耳的炸弹穿过两层甲板，当到达第三层甲板时，轰然发出一声惊人的巨响，35人当场死亡，并引起大火。1分钟后，第二颗炸弹命中"企业"号舰尾升降机右侧10米处，使38人毙命。尾随而来的第三颗炸弹将起飞信号台炸飞，周围39人不知下落，"企业"号顿陷一片烈焰之中。
为了避免与擅长夜战的日军进行夜战，弗莱彻少将急忙率舰队南撤，海面上只剩下"企业"号无依无靠，由于无法拖走，它成了等待攻击的目标。就在这时，"企业"号的雷达又发现了一批日本飞机。这是从"瑞鹤"号上起飞的第二攻击波。
然而，令人惊嘆的是，本来可以为南云赢得胜利、为日本国在中途岛的失败报仇雪恨的这批飞机，却犯了过早改变航向的错误，从"企业"号以西约50海里的地方6了过去，然后放弃追踪目标一无所获地返航回撤。
8月25日上午，山本取消了航空母舰的作战行动。这样联合舰队白白失去一艘轻型航空母舰，却没有实现它的战略目标就返回了特鲁克锚地。然而由于返航的日本飞行员大大地夸大了他们的战绩，使驻在腊包尔的三川中将误认为美国的两艘航空母舰均被击沉，便向增援瓜岛的田中运输船队发出了警报解除的信号，命令他们继续向瓜岛进发。25日上午，继续向瓜岛航进的日军登陆输送船队在离瓜岛不到100海里的海域被美国侦察机发现。一队从瓜岛机场起飞的强大的"无畏"式俯衝轰炸机袭击了这支船队。日本人措手不及，舰上的大炮都没有来得及装上炮弹，呼啸而下的俯衝轰炸机便击中了一艘大型运兵船和一艘驱逐舰。日本舰队掉头驶离现场，向北逃窜而去。
8月28日下午，"大和"舰历经几天的航行，到达特鲁克岛，碇泊于春岛第二锚泊地。
此时，山本已经知道了"龙骧"号航空母舰在第二次索罗门群岛大海战中被击沉和一木支队被全歼的消息，这使他大感吃惊。一向深谋远虑、算度准确，用兵以突然、迅速和敢于冒险而着称的山本，以为只要出动自己的精锐航母，就可以聚歼美太平洋舰队，从而