随着雷克斯中校的一声令下，“蒙特里”号和“考佩斯”号的2个“无畏”式轰炸机中队共计24架飞机，迅速从美军攻击机群里面脱离出来，结伴向日军的油轮编队飞过去。没有主力战舰的护航，只靠6艘驱逐舰提供防空火力保护，小日本的油轮编队显然难以抵挡美军轰炸机的攻击。
在各自中队长加勒特?托马斯海军少校和霍巴特?杰斐逊海军少校的率领之下，“蒙特里”号和“考佩斯”号轰炸机中队分别攻击了小日本的2艘万吨级巨型油轮“玄洋丸”号和“清洋丸无畏”式轰炸机中队各自组成一路纵队，从3500米高空向日军油轮发起了轮番俯冲攻击。油轮并不是军舰，又怎么能够经受得住“无畏”式轰炸机接二连三的重磅炸弹攻击，再加油轮面还拥有极易起火燃烧的汽油，所以在中弹之后不到3分钟时间里面，剧烈的爆炸就引发了小日本油轮面储存燃油的连环大爆炸，整个油轮随之侧翻倾覆，10分钟之后这2艘小日本的万吨巨轮便先后沉进了汪洋大海之中。
在成功击沉了“玄洋丸”号和“清洋丸”号2艘油轮之后，美军轰炸机转而对剩下的“东洋丸”号油轮以及护航的6艘驱逐舰展开了攻击。但是由于美军轰炸机数量有限，所以最终只是击伤了“东洋丸”号油轮和2艘驱逐舰而已，不过这对于美军攻击机群来说，也算得是旗开得胜了。
在分出2个“无畏”式轰炸机中队前去攻击日军油轮编队之后，雷克斯中校率领剩下的美军飞机，开始继续向西边飞行，努力搜索机动舰队踪迹。傍晚6点25分，小泽治三郎根据油轮编队护航驱逐舰发来的无线电报得知美军飞机已经来袭，虽然日军舰载机部队在昨天的空战之中损失惨重，但他还是勉强拼凑出6架“零”式战斗机前往迎击美军机群。为了弥补战斗机数量不足所造成的防御缺陷，小泽治三郎还命令第机动舰队的3个航空战队缩小间距，使得护航军舰能够更加靠近航母，以加强对空防御力量。
“企业”号轰炸机中队的约翰逊?亚当斯海军中尉向我们回忆了当时的场景：“很快，我们的攻击机群就遭到了日本佬战斗机的拦截。在我的左方出现了10多架‘零’式战斗机，它们每次都会先向我们的基准分队冲过来，而我们的空中指挥官，‘雀鹰’雷克斯中校就会带领着他的战斗机中队冲向它们。但最终还是有几架‘零’式战斗机冲破了雷克斯中校他们的拦截，不过日本佬并没有立刻进攻我们，他们是在等待我们展开队形进入攻击的时刻——那是我们最容易受到攻击的时候，因为每个飞行员都要俯冲下去，轰炸机和鱼雷机之间的严密队形就会随之解散。不过这一次，约翰?米尔顿少校‘企业’号轰炸机中队中队长并没有命令我们排成梯队进攻，而是让我们先在高度不变的情况之下移动到自己的位置面，然后当小队长进入俯冲攻击的时候我们再一起冲下去。这样一来，我们就可以尽可能长时间地保持‘V’字形编队，而我们的后座机枪手也能够有效地集中火力对付从后边飞过来的任何敌机。”
小泽治三郎起飞的战斗机数量其实并不算少，虽然美军方面拥有100架“地狱猫”式战斗机进行护航，但是由于需要分出部分兵力保护轰炸机和鱼雷机编队，所以在空战之中双方实力其实旗鼓相当。但是现在这些小日本飞行员的技术水平已经早就不能和他们那些当初横行太平洋的前辈们相提并论了，经过一番空中鏖战，美军方面以损失4架“地狱猫”式战斗机、2架“复仇者”式鱼雷机、1架“地狱俯冲者”式轰炸机的代价，成功击落了45架“零”式战斗机，从而顺利地突破了机动舰队的空中防线，随即开始对日军舰队展开猛烈攻势。
“雀鹰呼叫长吻鳄，所有飞行员注意，以中队为单位，相互密切配合，首先攻击敌人航母！”看着机动舰队已经相互聚拢在一起的3个航空战队的7艘航母以及50多艘战舰，雷克斯中校心里面不由自主地出现了一种猎人发现猎物时的兴奋感。
亚当斯中尉继续回忆了当时的场景：“前面的一大片区域里面布满了高射炮弹炸开之后的黑云，也有一些烟云是彩色的。很快，我就可以清晰地辨认出我的左下方有2艘日本佬的航母，它们就是我之前在战斗简报里面所听说过的那些。我选择了距离自己比较近的那艘日本佬航母作为攻击目标，而本杰明?兰伯特少校的部队则刚好选择了旁边另外那艘。开始进入俯冲的时候，我已经能够清清楚楚地看见那艘日本佬航母的样子，它就是轻型航母‘龙凤’号。我在10000英尺大约3000米高度打开了减速板，然后就立刻听到了哈特?约翰逊士亚当斯中尉的后座机枪手的尖叫，我抬头向右边看过去，看到就在距离我只有5英尺大约1.5米的地方，1架‘零’式战斗机飞快地冲了过去，由于减速板的作用所以我把他甩到了前面。我的俯冲是一个漂亮而又标准的70度角俯冲，当时‘龙凤’号正在迎风行驶，考虑到风的影响和目标的运动，我把准星瞄向航母舰首稍稍靠前的地方，在100英尺大约550米高度投下了炸弹。
我率领的第1小队加卡尔特·霍普尉率领的6架‘复仇者’式鱼雷机同时攻击了‘龙凤’号，而兰伯特少校率领的6个小队在看到第3艘日本佬航母之后，就立刻分成两个部分，少校本人率队冲向‘飞鹰’号，詹姆斯?史密斯尉则带领另一部分飞机攻击了‘隼鹰’号。不过其实关于兰伯特少校的那两群飞机到底谁攻击的是哪艘日本佬航母一直以来都是一个疑问，不过可以肯定的是，日本佬第2航空战队的所有3艘航母都遭到了攻击。”
作为机动舰队骨干力量的第1航空战队现在就只剩下了“瑞鹤”号孤零零的一艘航母，它现在也是当初小日本参与偷袭珍珠港行动的那批精锐航母里面硕果仅存的一艘了。在6月20日傍晚，“瑞鹤”号偏偏又正好遇到了一个老对头——从珊瑚海海战一路打到马里亚纳海战的潘恩·约翰逊海军尉，这一次，他率领“埃塞克斯”号的1个“地狱俯冲者”式轰炸机小队再次冲向了“瑞鹤”号。
约翰逊尉后来向我们回忆了当时的场景：“当我从12000英尺大约3600米高度进入俯冲的时候，那些高射炮火顿时变得非常密集，我根本找不到能够穿过它们的路线。可是我的俯冲减速板已经打开，飞机也已经开始了俯冲，看着眼前密集的高射炮火，我感觉自己简直就像是在流沙里面挣扎。在这个节骨眼，我做出了一件以前从来没有在俯冲之中做过的事情，我关了减速板！我的飞机随即就像一块大石头一样掉向了下面的目标，把那些高射炮火远远地甩在了身后。
我的速度一下子就来了，很明显这是由于没有打开减速板的缘故，我根本就没有去想拉起来的事情，只顾着从最大的俯冲角度扑向猎物。到了6000英尺大约100米的时候我又试着把俯冲减速板打开，减速板居然真的打开了，从来没有哪个人对我说过这时候它还能打开！我的飞机立刻就像被一只无形的大手拉住了尾巴一样，原来的高速冲剌瞬间就慢了下来，这时候，日本佬的航母已经稳稳地出现在了我的面前，正沿着它的纵轴线向我的航线开过来。直到接近2000英尺大约600米的时候，我才投下了炸弹。”
约翰逊尉平时很爱护他的飞机，就像狙击手爱护自己的枪支一样，但是这一次，他却顾不了那么多了。最后有1枚大口径炮弹在“地狱俯冲者”式轰炸机附近爆炸，引燃了约翰逊尉座机的右翼，一块弹片还击中了他的后背。不过约翰逊尉在返航途中扑灭了火焰，并且还把飞机晃晃悠悠地开回了特混舰队，然后狠狠地砸在了“埃塞克斯”号的飞行甲板面，当然，他投下的那枚1000磅炸弹也准确地落在了“瑞鹤”号的飞行甲板面。
在美军飞机的这一波攻击之中的头奖当属“贝劳伍德”号鱼雷机中队的蔡斯·查理斯海军尉，不过整个过程却显得有些悲情，当时他率领着4架“复仇者”式鱼雷机冲向了第2航空战队的“飞鹰”号，查理斯尉的僚机之一，理查德·克林顿海军中尉后来向我们描述了那次进攻：“查理斯尉、史塔克顿中尉、利文斯顿中尉和我展开队形，从不同角度接近了‘飞鹰’号。因为航线的缘故，我们必须要穿过日本佬驱逐舰的外层防空火力网，然后是巡洋舰，最后是战列舰，要想冲到合适的距离面向日本佬航母发射鱼雷，我们就只有先穿越这些屏障。日本佬的防空火力很密集，所以我一路都在想方设法地做规避机动。
在进攻途中，查理斯尉的飞机中弹起火了，接着，在这场战斗之中让我终生难忘的一幕出现了。查理斯尉的机组成员雷耶斯·莫里森中士和菲利普·里维斯下士看到飞机起火了，而飞机里面的通话器又联系不查理斯尉，他们只好选择了跳伞，在水里旁观了这次进攻，他们在那里整整呆了一个晚幸好这是夏天而不是冬天，直到第二天午才被我们舰队的侦察机发现并且救了回来。查理斯尉驾驶着受伤的鱼雷机参与了攻击，我们从水面空400英尺大约120米的地方进入以便投放鱼雷，我们的鱼雷是从不同方向投下，然后在目标处会聚，这样就可以让日本佬的航母避无可避。莫里森和里维斯后来报告说，我们确实击中了‘飞鹰’号，不久之后它就沉没了。”
当时曾经在“飞鹰”号面服役的日本老兵大津和野海军下士在战后回忆了当时的场景：“我站在舰艉的机枪座，士官长加藤弘义阁下听到一声大吼：‘鱼雷！’，于是他立刻开始数数，当数到12的时候，他觉得鱼雷应该过去了，不由得松了一口气，但是偏偏就在这个时候，一阵剧烈的爆炸震动了‘飞鹰’号，士官长阁下数快了。不久之后，第2条鱼雷又命中了航母，火焰开始沿着飞行甲板逐层蔓延开来。舰的电也停了，航母瘫痪在水面，开始逐渐向左边倾斜。
弃舰的消息传了出来，但是在航母最尾端的士官长等几十个人却没有听到正式的弃舰令，所以他们拒绝离舰。但是航母很快下沉，海水开始涌向他们的机舱，这些人只好离开自己的战斗岗位，走到栏杆旁边准备跳海逃生。但是他们的长官，一名年轻的少尉阻止了他们：‘站住！’，少尉恶狠狠地拔出自己的佩剑，命令大家唱起了《君之代》。歌声开始从人群之中飘了出来，直到海水漫到了他们的膝盖为止。士官长回过头，借着熊熊燃烧的火焰，他看见少尉整个人都已经沉在了水里面，不过双手却仍然紧紧地抓着舰艉的栏杆和手里面的佩剑。‘飞鹰’号舰艉已经沉没，舰艏则高高抬起，犹如一支巨人的手指矗立在海面。晚点32分，‘飞鹰’号最终保持着这种垂直的姿势沉入了茫茫大海之中。”
与此同时，其他美军飞行员也分头攻击了其余的小日本军舰，经过一番激战之后，日军航母“隼鹰”号、“龙凤”号、“瑞鹤”号、“千代田”号以及战列舰“榛名”号、重巡洋舰“摩耶”号都被美军飞机炸伤。另一方面，在小日本战斗机和高射炮的联合打击之下，美军方面又损失了13架飞机，其中包括6架“地狱俯冲者”式轰炸机、3架“地狱猫”式战斗机、3架“复仇者”式鱼雷机、1架“无畏”式轰炸机。