与此同时，日军指挥官栗田健男将旗舰转移至“大和号”战列舰上，继续指挥舰队前进。
8时，美军“无畏号”航空母舰的侦察机发现了栗田舰队进入狭窄的锡布延海。
第三舰队司令哈尔西立即下令集结三支航空母舰分舰队，集中火力攻击栗田舰队。
10时27分，从“无畏号”、“卡伯特号”等航空母舰上起飞的260架飞机如蜂群般扑向日军舰队。
“大和号”和“武藏号”这两艘巨舰成为美军飞行员的主要目标。
第一波攻击中，“妙高号”重巡洋舰首先中弹，舰尾被一枚鱼雷击中，重伤返航。
紧接着，“长门号”、“大和号”、和“武藏号”、相继被炸弹和鱼雷命中。
“武藏号”在六波攻击中承受了19枚鱼雷和17枚炸弹的打击，最终在15时沉没。
“大和号”舰首进水3000吨，被迫向舰尾注水2000吨维持舰体平衡。
“长门号”航速陡降，四门副炮无法使用。
其余舰只如“榛名号”、“金刚号”也不同程度受伤。
驱逐舰“清霜”、“滨风”和轻巡洋舰“矢矧”则因中弹被迫返航。
在美军第二次空袭中，“大和号”主炮齐射前的警报声被防空炮的轰鸣掩盖，导致主炮齐射产生的冲击波直接夺走了50余名防空炮手的生命。
由于缺乏航空掩护，栗田在15:30下令舰队暂时撤出美军航空母舰的攻击范围。
然而，栗田并未放弃，17时15分，舰队再次调头，驶向圣贝纳迪诺海峡。
与此同时，美军“普林斯顿号”航空母舰被一枚250公斤级穿甲炸弹击中，舰体燃起熊熊大火。
15时30分，弹药库发生剧烈爆炸，当场造成229人阵亡，236人受伤。
附近的“伯明翰号”巡洋舰也受到波及，400余人负伤，舰长不得不下令弃舰。
17时50分，“普林斯顿号”最终沉没。
由于美军分舰队忙于应对栗田舰队，无暇搜索北方水域。
直到16时35分，小泽治三郎率领的诱饵舰队才被美军飞机发现。