十三时许，日军牵制群的&ldo;龙骧&rdo;号航母起飞6架轰炸机和15架战斗机，前去攻击瓜岛机场。

这些飞机遇到了美军&ldo;仙人掌&rdo;航空队的有力拦截，被击落一大半，没有能破坏瓜岛机场，但却起到了诱敌作用。

弗莱彻从雷达上发现这一情况，认为这是日军主力的航母编队，立即命令&ldo;萨拉托加&rdo;号航母出动30架轰炸机和8架鱼雷机前去攻击。

但随后不久，美军的一架水上飞机又报告在已知目标（即日军牵制群）的东北六十海里处发现日军1艘航母，这是日军的先遣群。

十四时三十分，&ldo;企业&rdo;号航母的侦察机发现了以2艘航母为核心的日军大舰队，也就是日军的主力群。

弗莱彻这才感到形势有些不妙，马上命令攻击日军牵制群的机群转向攻击日军主力群，但由于航母与出击机群之间的通讯联络不畅，机群没有接到这一命令，于十五时五十分到达&ldo;龙骧&rdo;号上空，此时&ldo;龙骧&rdo;号正逆风航行准备起飞第二批飞机，美军30架轰炸机从4200米高空实施俯冲轰炸，8架鱼雷机则分为两队从左右两面以60米高度270米近距离投雷，&ldo;龙骧&rdo;号规避不及，被一条鱼雷和十余枚炸弹击中，舰体左倾20度，大量进水，于当天二十时沉没。

当主力群司令南云得知美军舰载机前去攻击牵制群，认为时机已到，于十四时许派出第一攻击波，计攻击机27架，战斗机10架。

十五时又出动第二攻击波，计攻击机27架，战斗机9架，直扑美军航母编队。

与此同时，日军先后有两架侦察机飞临美军航母编队，虽被美军击落，弗莱彻认为日机在被击落前一定已经发出了报告，自己的位置肯定已经暴露，下令做好防空战斗准备，增加了在空中巡逻和甲板待命的战斗机数量，并将队形变为防空队形，为分散日军的攻击力量，两个大队拉开了十余海里的距离，考虑到&ldo;企业&rdo;号距敌较近，弗莱彻命令&ldo;企业&rdo;号负责统一指挥两艘航母的战斗机。

几分钟后，&ldo;企业&rdo;号雷达发现88海里外有一批日机飞来，弗莱彻立即命令两艘航母上的13架轰炸机和12架鱼雷机全部起飞，前去攻击日军航母；甲板待命的战斗机也全部升空，这样空中警戒的战斗机已增加到53架。

十六时二十五分，空中警戒的战斗机报告发现日机。

&ldo;企业&rdo;号的战斗机引导员本来计划在日机展开前进行拦截，但由于空中飞机数量很多，航母与飞机，飞机与飞机之间通讯频繁，导致通讯阻塞，引导截击的命令无法及时发出。

十六时二十九分，日军机群到达距&ldo;企业&rdo;号30海里处，分为几队展开，这就使美舰雷达显示屏上图象混杂，战斗机引导员分不清敌我，无法指挥拦截。

美军战斗机充分发挥主动精神，在距&ldo;企业&rdo;号25海里处上前拦截，双方发生了激烈空战，日机被击落6架。

十六时四十分，日机开始对&ldo;企业&rdo;号实施俯冲轰炸，当时第16大队已排成防空环形队形，&ldo;企业&rdo;号位于中央，周围有9艘军舰环护，以猛烈高射炮火进行拦阻射击，&ldo;企业&rdo;号还不时以大舵角急转弯规避攻击。

由于日军飞行员的素质比中途岛战役时下降很多，加上美军炮火猛烈，日军鱼雷机在占领攻击阵位前就被全部击落，轰炸机也只有少数几架突破投弹，&ldo;企业&rdo;号被命中3枚250公斤炸弹，炸毁升降机两座，引发大火，炸死72人，船舷漏水，舰体横倾，所幸伤势不重。

日机离去后，&ldo;企业&rdo;号进行了紧急抢修，仅用一小时就扑灭了大火，恢复平衡，航速达到24节，能够接受飞机着舰。

日军主力群的第二攻击波一直飞到距&ldo;萨拉托加&rdo;号50海里处也没有发现美舰，因燃油消耗过半，只得返回。

在日机来袭前起飞的&ldo;企业&rdo;号的11架轰炸机和7架鱼雷机也没有找到日军主力群，轰炸机飞往瓜岛机场着陆，鱼雷机则返回了航母。

而同时起飞的&ldo;萨拉托加&rdo;号的2架轰炸机和5架鱼雷机却意外发现了日军的先遣群，随即发动攻击，击伤了&ldo;千岁&rdo;号水上飞机母舰。

这批美机除了2架鱼雷机在圣克里斯托巴尔岛迫降，其余飞机都安全返回了母舰。

弗莱彻接收了出击的飞机后，天色已黑，为避免夜战，率领舰队向南撤退。

日军先遣群遭到攻击后，高速向南追击，还派出水上飞机前去搜索，只发现1艘正在援救落水飞行员的美军驱逐舰，再没其他发现。

当晚二十四时，山本下令撤出战斗，先遣群、主力群即以28节北撤。

日军只顾寻找美军航母决战，却忘了保护增援群，增援群23日被美军发现后，果断向西北退避，这才避免遭到攻击，在圣伊萨贝尔岛附近逗留了一整天，于24日十二时再掉头南下，计划于25日将增援部队送上瓜岛。

8月24日九时三十五分，增援群到达马莱塔岛以北海域又被美机发现，瓜岛的&ldo;仙人掌&rdo;航空队立即起飞8架&ldo;无畏&rdo;俯冲轰炸机进行攻击，日军增援群中主要的运输船&ldo;金龙丸&rdo;号被击沉，旗舰&ldo;神通&rdo;号巡洋舰和另1艘驱逐舰被炸伤。

不久，从圣埃斯皮里图岛起飞的b－17轰炸机也赶来助战，将&ldo;睦月&rdo;号驱逐舰击沉。

鉴于缺乏空中掩护，加上所运送的部队已经损失大半，拉包尔的日军指挥部只好令其返航。

晚上，日军对岸射击群对瓜岛进行了炮击，也没有什么显著效果。

所罗门群岛以东海战至此结束。