航下，突破日军空中防线，直扑龙骧号、祥凤号航母。祥凤号轻型航母因甲板狭窄、防空火力薄弱，被8枚炸弹、4枚鱼雷击中，机库爆炸引发连锁反应，于下午2时沉入海底。
龙骧号则凭借灵活的转向，规避了多数攻击，仅被2枚炸弹击中飞行甲板，虽失去起降能力，却未沉没，被日军驱逐舰拖离战场。
航母对决陷入胶着时，日军战列舰榛名号、雾岛号发起冲锋，凭借356毫米主炮的射程优势，在22公里距离上向美军战列舰开火。宾夕法尼亚号、爱达荷号立刻还击，巨炮轰鸣声震彻海面，炮弹落点激起的水柱高达数十米。
日军“榛名号”的主炮精准命中宾夕法尼亚号的副炮甲板，引发大火。
美军爱达荷号则击中雾岛号的舰体侧面，造成进水。双方巡洋舰与驱逐舰随即展开近距离厮杀，美军新奥尔良级重巡的203毫米主炮击沉日军1艘轻巡，却被日军驱逐舰的鱼雷击中2艘，其中“阿斯托里亚号”重巡因舰体断裂，于傍晚沉没；日军高雄级重巡“鸟海号”被美军弗莱彻级驱逐舰的鱼雷击中，动力系统瘫痪，只能退出战斗。
激战至日落时分，双方都已疲惫不堪。美军损失惨重：1艘重巡、2艘驱逐舰沉没，2艘航母（企业号、萨拉托加号）受损，110架战机被击落，伤亡官兵2800余人。
日军则付出1艘轻型航母、1艘重巡、3艘驱逐舰沉没，1艘航母、1艘战列舰、2艘重巡受损，95架战机被击落，伤亡官兵2300余人的代价。近藤信竹判断美军仍有后续兵力，且自身补给线已受威胁，下令舰队向爪哇海撤退。
麦克阿瑟见日军未被彻底击溃，且美军航母受损、战机损耗过大，若继续追击可能遭遇日军陆基航空兵的二次打击，遂下令舰队返回菲律宾南部的三宝颜港休整，仅留下潜艇部队监视日军动向。