由于不可能让所有飞机同时飞离母舰并到达目标上空，美军攻击时一般编成若干个机群：这个机群通常包括18架俯冲轰炸机和12架鱼雷机，由16架战斗机提供护航。大多数时候，飞在中间的俯冲轰炸机会组成若干个6机分队，每分队又分为2个V字形3机编队。这种编组方式从开战伊始就是美军俯冲轰炸机群的标准战术，经历过多次实战检验并一直使用到现在。在稍低高度上，“复仇者”通常会组成若干个菱形4机编队。一旦接敌，它们将分散开来从不同方向发动进攻。敌舰要想躲避四面八方同时扑来的鱼雷，难度极大。这种战术还将使敌军执行防御任务的战斗机无法集中使用。在中途岛，美军一支鱼雷机中队往往仅从一个方向发动进攻，结果使日军零战能够集中兵力从容防御，最终导致美军鱼雷机不但损失惨重，而且颗粒无收。美军现在使用的新战术就能有效地避免出现这一问题。
在最高空，众多“地狱猫”将为攻击机撑起一把保护伞，随之防止日军战斗机的攻击。不过，战斗机飞行员们并非自始至终处于高空。除对付日军零战之外，“地狱猫”还担负着防空压制的任务。每机6挺12.7毫米机枪使它成为最适合对地扫射的飞机。它们经常小角度俯冲接近目标，用机枪扫射日军高炮炮手。在攻舰过程中，战斗机往往会冲在最前边，压制敌人的防空炮火，为攻击机从容投雷或撂弹创造条件。由于有了“地狱猫”的防空压制，美军轰炸机和鱼雷机在执行攻击任务时成功率和生还率都要高出对手很多。
小泽对可能来自后方的威胁同样保持着足够警觉。尽管头一天损失飞机极多，但从20日清晨4时30分开始，栗田前卫部队还是陆续放飞了9架水上飞机——“爱宕”号、“高雄”号、“铃谷”号、“熊野”号、“金刚”号各1架，“利根”号、“筑摩”号各2架，对美军可能追来的东方水域实施远程搜索。5时45分，第三航空战队的“瑞凤”号、“千岁”号各派出3架九七式鱼雷机，协助执行搜索任务。除此之外，驻硫磺岛的横须贺航空队也派出9架陆攻机、驻贝里琉岛的第三二一、七三二航空队也出动了6架飞机，协助执行搜索任务。
6时13分，负责4号线的水上飞机发回电报，“发现不明身份之舰载机，飞行方向北偏西。”栗田派出的水上飞机有3架最终未能返航。对照美军作战记录，其中1架很可能是被“黄蜂”号俯冲轰炸机飞行员塞缪尔·埃尔文少尉发现，并呼叫护航战斗机飞行员卡尔·史密斯少尉及时击落的。
上午8时40分，小泽下令驱逐舰开始接受补给。10时34分，他收到了丰田大将发往参战各部的《机密第201034番电》：“本次作战关系皇国之兴废，决战部队以适当之航空部队、潜水部队挺身，迈向必胜。各方面部队巩固要地并予以支撑，形成铁壁。望各人遵照其任务，致本次作战之成功，且善战勇斗。”到了这时，这种空洞的激励语言对小泽和角田都起不了多大作用了。
中午12时02分，小泽率司令部成员离开“羽黑”号，登上了通讯条件更好的“瑞鹤”号，它现在是第一航空战队唯一的一艘航母了。说来邪门，虽然参加了除中途岛海战之外的历次海空大战，吉星高照的“瑞鹤”号却从未被命中一条鱼雷或一颗炸弹。始终与它形影不离的姊妹舰“翔鹤”号却霉运连连，大多数时间扮演着为“瑞鹤”号挡枪的角色。鉴于19日“翔鹤”号已经结束了战斗生涯，未来的一切压力都要靠“瑞鹤”号自己来承受了。
期间，不断有侦察机发回有关美军舰队位置的消息。根据丰田的命令，依然幻想着与美军“决战”的小泽于14时20分发出了《机动部队机密第201420番电》：“机动部队准备完成后发起进攻，将于22日以薄暮航空战对敌航母群加以攻击，并与前卫舰队击灭接近之敌。具体行动后令。飞行队薄暮攻击后进驻塞班岛方面基地。”
13时整，“瑞鹤”号派出2架“天山”参与搜索，松村务中尉的飞机起飞后不久就失去联络。北尾圭三大尉的飞机在搜索尽头发现了不明身份的飞机，返航后于19时在舰队周围迫降，北尾和电信员姬路松幸一等飞曹被“朝云”号驱逐舰救起。大概同一时间，第三航空战队也出动了2架“天山”和1架九七式鱼雷机队实施第二段搜索，负责三号线的鱼雷机在16时16时发回了接敌电报：“发现含航母之敌军舰队，1艘航母、2艘战列舰、数艘其他舰艇，北纬14度20分、东经138度30分，航向向西。”
尽管手头已无多少攻击力量，小泽仍不愿放过任何进攻的机会。斟酌片刻，小泽毅然决定派出攻击机群，对美军航母发起暗夜雷击。奉命出击的是小野善次大尉领军的7架“天山”。目前日军残存力量也只能发起这样一次反击了。为了避免不必要的损失，小泽下令舰队中止补给，按最容易远离敌军的325度航向快速退却，剩余飞机全部集中到“瑞鹤”和“飞鹰”号上，其它航母则撤往吉马拉斯泊地。
17时整，“瑞鹤”号放飞了1架“天山”号和2架“彗星”，为小野攻击队搜索锁定攻击位置。其中两架飞机出发后音讯皆无。北岛三郎飞曹长的“彗星”飞出不远发动机出现故障，只好返航。当他晚上20时20分飞抵舰队上空时，“瑞鹤”号已被炸伤无法降落，北岛只好在21时迫降水上，机组成员被“若月”号驱逐舰救起。17时15分，小野率队从“瑞鹤”号上起飞，向美军舰队所在位置隆隆飞去。17时28分，他们与美军来袭机群迎面相遇，在向本队发出“发现敌舰载机”的紧急预警电报之后，小野继续率队向美军航母飞去。
下午16时55分，日军油轮“日荣丸”号突然发出紧急警报，“远方天空中发现16架敌机。”日军发现的正是美军“黄蜂”号的攻击机群。17时20分，战斗机领队丹尼尔·华莱士少校发现前方60公里外出现了一支由油轮和驱逐舰组成的日军舰队。在继续飞行11公里后，华莱士数清敌舰队由油轮和驱逐舰各6艘组成。但轰炸机中队中队长约翰·布利奇少校声称在雷达屏幕上看到170度方位、67公里外有疑似航母的目标，遂建议继续向南搜索飞行。在向南搜索无果之后，布利奇从电台中得知友军已经向日军航母发起了进攻。对于缺乏实战经验的“地狱俯冲者”中队来说，它们此时的油量已经有些令人恐慌了。苍蝇蚊子都是肉，油轮好歹也是敌舰，布利奇决定先打掉日军的油轮再说。
17时25分，“日荣丸”号发现有多达35架敌机不断逼近。日舰随即散开队形，驱逐舰率先开始对空射击。18时05分，美军1颗炸弹击中了“速吸”号舰桥后方甲板。1分钟后，3架俯冲轰炸机对“玄洋丸”号投下的炸弹形成近失，导致该舰出现机械故障停车。与此同时，沃尔特·菲茨杰拉德少尉率3架“复仇者”攻击了“清洋丸”号，油轮中部当即“炸出了一团高达2500英尺的火球”。美军撤退时遭到6架零战的疯狂进攻，“地狱猫”和“地狱俯冲者”各1架被击落。
综合美军此次攻击的战果，“玄洋丸”号因伤重无法拖曳，晚20时30分被迫弃舰。在接走舰上水兵之后，驱逐舰“卯月”号向油轮打出8发127毫米炮弹将之击沉。“清洋丸”号同样因伤重被最终放弃，负责执行死刑的就是大名鼎鼎的“雪风”号——有“第一大玫瑰”参与护航，补给船队率先被发现并遭到攻击也就在情理之中了。“速吸”号虽然被命中1弹和2颗近失弹，但并未丧失航行能力，随后在驱逐舰“栂”号的护航下艰难驶往巴厘巴板。
补给船队已经遭到了美军的攻击，日军三支航母舰队瞬间紧张起来。17时20分，小泽领军的甲部队率先摆开了战斗队形。17时28分、30分，“瑞鹤”号和“初月”号准确捕捉到远方飞来的美军机群。17时42分，日军高射炮火轰然打响。“大黄蜂”号俯冲轰炸机哈罗德·比尔上尉率领的6架“地狱俯冲者”一马当先，从4100米高度快速逼近。日军各舰紧急右舵规避，以使己方舰船与美机来袭的方向垂直。作为参加过珊瑚海、中途岛、东所罗门群岛海战的“老鸟”，比尔在回忆录《无畏的地狱俯冲者》一书中如此描述当时的情景：“当我从3700米高度开始俯冲时，眼前的高炮火力变得如此猛烈，以致于我不知道如何才能穿越。我感觉自己就像在流沙中爬行。敌军航母就在眼前，并沿着它的中轴线驶向我的航路，我在抵近至600米时投下了炸弹。之后我由俯冲变成拉起，我和自己的飞机遭到了猛烈打击，1发敌人高炮炮弹弹片击中了我的飞机。”
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