所剩的43架美军飞机返航时，却发现日本对手能够发动更有效的进攻。由于有雷达，列克星敦号的战斗机指挥官在敌机仍然在东北方向七十多英里的空中时就能知道它们的到来，并起飞战队机进行截击。但第5航空战队的69架舰载机在尚未受拦截之前已经分成了3个攻击队。日鱼雷机队首先飞临美舰上约克城号。由于该舰灵活地进行规避，日机的攻击未见成效。但是，在环形警戒序列中的两艘航空母舰都在自行进行规避的结果，使这两舰之间的距离迅速拉大、警戒舰只也随之一分为二，从而削弱了对空防御，给日机以可乘之隙。日机对约克城号左舷投射8条鱼雷，均被该舰避开。在随后轰炸机队开始对约克城号俯冲投弹。有一颗800磅的炸弹击中了该舰舰桥附近的飞行甲板，但仍能继续战斗。日鱼雷机队攻击列克星敦号时，成功地运用了夹击战术，从该舰舰首的两舷、15－70米高度、1000－1500米距离投射鱼雷。列克星敦号由于吨位较大，回圈半径较大，转弯不灵活，日机投射的13条鱼雷中有2条击中该舰左舷，使其锅炉舱有三处进水。
列克星敦号正在拼命规避鱼雷时，日轰炸机队又开始对其进行攻击，又有2颗炸弹命中目标。这场遭遇战只持续十三分钟，日本人飞走的时候，兴高采烈地报告他们替前一天祥凤号的失败报了仇，毫不含糊地击沉了一艘“大型航空母艘”和一艘“中型航空母舰”。 实际上，列克星敦号尽管由于被鱼雷和炸弹击中，产生7度横倾，但该舰调整燃油之后，恢复了平衡，继续接纳返航的飞机着舰。同时为战斗机加油加强制空。但由于燃油泄漏，列克星敦号舰内突然发生爆炸，并引起大火，火势迅速蔓延，以至无法控制。下午15时左右，舰长下令全体舰员离舰。17时许，费尔普斯号驱逐舰奉命对其发射5条鱼雷，列克星敦号于17时56分沉没。已经降落到该舰的36架飞机也随之沉入大海。美第17特混舰队约克城号上虽然尚有轰炸机和鱼雷机27架、战斗机12架，但已入夜，弗莱切无意再战，遂率队撤离战场。第二天，瑞鹤号的飞行员为追击美舰再次进行侦察巡逻时，海上只有列克星敦号的残骸了。
交战结果，双方几乎打成了平手。美方被击沉1艘大型航空母舰 “列克星敦”号、1艘油轮、1艘驱逐舰、损失66架飞机、死亡543人，“约克城”号航母受重创；日方被击沉1艘轻型航母“祥凤”号、损失77架飞机、死亡1074人、“翔鹤”号航母受重创。日本取得战术上的胜利，美国取得战略上的胜利。
这次海战是太平洋的第二个胜利，第一个自然是200师在缅甸围歼56师团了，他们的战略胜利意义深远，直接影响到后来的战争进程，对两国的战事印象非常之大。
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