黑暗中，日舰队因故障在变换航向时分成两队，结果无意中形成了对美舰队的两面夹攻之势。“鸟海”号接近美舰后立即打开探照灯捕捉目标，并开始发射鱼雷、展开炮战。刹那间，海面上曳光弹弹道穿梭往来，在茫茫的夜空中织出了一道道光怪陆离的图案。
最初，美舰还以为是友军舰队，遂打开识别信号灯。这正好给日舰指明了目标，使日舰队的奇袭再度成功。在1小时的炮战中，击沉重巡洋舰“文森斯”号和“昆西”号，“阿斯托里亚”号受重伤后也于9日中午沉没。
面对美南区巡逻队早已溃不成军、北区巡逻队几乎全军覆灭的有利形势，三川若乘胜进击，很可能全歼瓜岛附近海域的美军运输舰船。然而，就在这个节骨眼上，美航空母舰的阴影又笼罩了三川的心头，心虚的三川突然下令舰队返航，撤出战斗。
这次海战，日军取得了压倒性的胜利，共击沉美巡洋舰4艘，重创美巡洋舰1艘、驱逐舰2艘，击毙、击伤美军1700余人。而日舰除“加古”号在返航时被美潜艇击沉以外，无一重伤，日军死亡仅58人，伤53人，可谓大获全胜。
由于三川舰队没能及时扩大战果，放弃了乘胜摧毁美运输船队的大好机会，使山本五十六大为不满。他本来就为中途岛的失败窝一肚子火，三川舰队无疑是火上加油。所以，在得知美航空母舰特混编队出现在所罗门海域时，赌博的天性使他认为所罗门海域或许正是他挽回损失的最好场所。他决心孤注一掷，拿出其全部家当与美国太平洋舰队拼死一搏，争取全歼美太平洋舰队，雪洗中途岛的耻辱。
为实现这一目的，山本下令联合舰队主力向瓜岛北方海域集中。8月11日，近藤中将指挥的第2舰队驶离本土。8月16日，南云中将指挥的第3舰队出港，并令驻守在提安尼岛的第11航空舰队司令部移往拉包尔。8月17日，山本亲率“大和”号，由丰后水道南下出击。
这一次日本联合舰队是倾巢而出：瓜岛支援舰队由海军中将近藤指挥，该编队由第2舰队和第3舰队组成，实力雄厚，拥有航空母舰“翔鹤”号、“瑞鹤”号、“瑞凤”号、“飞鹰”号、“隼鹰”号、“龙骧”号6艘，以及若干艘战列舰、巡洋舰、驱逐舰，大小舰船共40余艘；东南海区部队由海军中将竟原二四三指挥，其中包括田中少将指挥的瓜岛增援运输船队、三川中将的掩护舰队和第航空舰队100多架岸基机；远征舰队由小松中将指挥，主要兵力是9艘潜艇。
尽管日本在瓜岛集结了庞大的兵力，但是日本内部陆海军的战略并不统一。山本的意图虽然想和美国在此海域决战，但更多的是想报中途岛之仇，他根本没有认真考虑美军已在瓜岛地区投入的反攻力量；而日本陆军则更荒唐，以为美军是一支毫无战斗力的部队，根本未想到美军会利用瓜岛作为其反攻的起跳板，所以只想草草了事地应付一下；驻守拉包尔的日本陆军第17军军长百武晴吉中将认为，在瓜岛登陆的美军不过2000人，而自己只要派出1000人就足以对付这些毫无战斗力可言的美军了。他做梦也没有想到，登陆瓜岛的美军是一支装备了各式重武器、共拥有1．8万人的大部队。所以，他将主力继续用于莫尔兹比港作战，只抽调6000人用于瓜岛。
8月16日，百武晴吉派一木清直大佐率先遣队1000余人分乘6艘驱逐舰从特鲁克海军基地出发。一木清直是一个恶贯满盈的战犯，早在1937年时，他就在直接挑起“七七事变”的日军牟田口联队中充任第3大队大队长。在卢沟桥，他曾亲率部队向宛平县城发起首次进攻，是屠杀中国人民的刽子手。太平洋战争爆发后，一木被日军统帅部任命为进攻中途岛的登陆部队指挥官。无奈中途岛海战中日军受挫，没有给他立功的机会。这次瓜岛告急，他又被派上了用场。
8月18日夜，一木率队在亨德森机场以东约30公里处顺利登上瓜岛。骄横自负的一木认为美军不堪一击，不等后续部队到达，就留下125人守着滩头，率领900余人向机场扑去。
由于美军的兵力集中在机场，所以日军一路上并没有遇到任何阻拦。一本满怀信心，向拉包尔的第17军军部报告：“根本没有敌人，就像在无人区行军。”
8月19日，美军的一个潜伏侦察哨发现了日军。不幸的是，这名叫沃查的上士随即被日军捕获，遭到了严刑拷打，但他毫不屈服，什么也没说。晚上乘日军不备他咬断了绳子，带着满身的伤痕逃回美军阵地报告。
8月20日，日军的一支40人的侦察小队与美军的一支巡逻队遭遇，美军打死了31名日军，还缴获了一张已经标注好的地图。根据这一地图，范德格里夫特发现日军已经了解到美军防线上的薄弱环节。于是，他立即进行了调整，做好了充分准备，在日军可能的进攻地点架设了带刺的铁丝网，布置了机枪火力点。
8月21日凌晨1时30分，一木支队的第一批500名士兵向守卫在特纳鲁河口的美军发起了猛烈的攻击。在迫击炮、机枪和自动枪声以及日军刺耳的狂叫声中，美军依托防御工事进行了坚决抗击。潮水一般涌来的日军士兵被美军密集的火力打得人仰马翻，日军在美军阵地前留下一大堆尸体之后败退下去。不久，第二攻击波又冲了上来，仍然没有一个士兵能冲到美军阵地的铁丝网前，留下一堆尸体后又再次败下阵去。
看到倒在阵地前的日本伤兵呼天喊地的悲惨景象，美军本着人道主义精神派出了医护人员前往救助。想不到日军伤兵竟拉响手榴弹，与医护人员同归于尽。范德格里夫特闻讯勃然大怒，下令对投降者不予生命保障，并出动轻型坦克去彻底消灭日军残部。5辆轻型坦克向日军盘踞的丛林冲去，用37毫米大炮和机枪逐一消灭残余日军，坦克从日军死尸和伤兵身上碾过，履带上沾满血肉，像绞肉机一样。
身负重伤的一木在坦克开来之前，在海滩上烧毁了军旗，然后剖腹自杀。其残部仅剩约数十人退往丛林。
登陆瓜岛的日军被全歼的消息传到拉包尔，刚刚赶到的联合舰队大吃一惊。经过陆海军双方紧急协商，决定再派1500名援兵登陆瓜岛，力争8月底以前把美军赶入大海。联合舰队则在海上实施援助，伺机与美航空母舰特混舰队进行决战。
日本舰队倾巢而出，拥有战列舰“陆奥”号、“比睿”号、“雾岛”号以及若干艘巡洋舰和驱逐舰、大小舰船共40余艘，护送载运一木支队、川口支队的4艘运输船，另有1000多架飞机，还有9艘潜水舰。
8月21日，朝晖煦丽，舰队劈开黎明的海面，驶离特鲁克军港。
8月23日，庞大的舰队集结在所罗门群岛东北200海里的洋面上。山本将其兵力分成5个战术群：南云中将指挥的航空母舰主力群；以战列舰“比睿”号、“雾岛”号为核心的前卫群；以“龙骧”号轻型航空母舰作诱饵的牵制群；近藤中将指挥由“千岁”号水上母舰和15艘战舰组成的先遣队；9艘潜艇组成的侦察群，以及在后方跟进的瓜岛增援群。山本的意图是以身轻力薄的老式航空母舰“龙骧”号为“诱饵”，吸引所有的美舰载机，一旦上当的美机油尽返航时，迅速出动南云航空母舰上的全部飞机，一举击沉美航空母舰。然后再乘胜挥师向瓜岛挺进，彻底消灭美海军陆战队，攻占瓜岛机场。
山本的一举一动都没有逃出美军侦察机和澳大利亚海岸观察哨的眼睛。早在8月20日，美侦察机便已发回报告：“日军已在特鲁克地区集结了一支庞大的舰队……”根据这一情况，美南太平洋战区司令戈姆利海军中将命令弗莱彻率领的舰队重新编成61特混编队，下辖由弗莱彻亲自指挥的以航空母舰“萨拉托加”号为主，外加巡洋舰“明尼阿波利斯”号、“新奥尔良”号和5艘驱逐舰组成的第11特混编队；由金凯德少将指挥的由航空母舰“企业”号、巡洋舰“波特兰”号、“阿特兰塔”号和6艘驱逐舰组成的第16特混编队；由海军少将诺伊斯指挥的以航空母舰“大黄蜂”号为核心的第18特混编队。此外，美海军作战部长金上将觉察到一场恶战即将爆发，命令刚刚完工下水的“华盛顿号”、“南达科他”号两艘战列舰连同“朱诺”号防空巡洋舰和护航驱逐舰，从大西洋取道巴拿马运河开入太平洋。
本来，一支小小的美国海军陆战队对遥远的南太平洋海岛上的一座丛林机场进行突然袭击，是一个无足轻重的军事行动，但现在却发展成为一场决定太平洋战争前途的宏大海战了。
8月23日，由田中少将率领的瓜岛增援群由特鲁克起航南下。同时，在所罗门群岛警戒的潜艇在马莱塔岛东南海域发现美特混舰队。南云中将的主力群遂以战斗序列急速南下，企图寻机歼灭美国舰队。
8月24日上午，大雾笼罩着海面，日舰队在雾气中时隐时现。9时，日舰队的阵位是：田中的增援群位于瓜岛以北250海里处；南云指挥的“翔鹤”号、“瑞鹤”号航空母舰在田中东面40海里的方位；以“龙骧”号为主的牵制群在南云部队的右前方。
9时5分，一架美军水上飞机发现了山本精心设计的“诱饵”——“龙骧”号轻型航空母舰。这是日本在1923年建造下水的最早的一艘航空母舰，排水量仅8000吨。美侦察机发现目标后立即发回报告，但弗莱彻不相信。昨天3批美机都未发现日舰队，难道今天它就会从海底冒出来吗？直到下午1时，美舰雷达发现了由“龙骧”号起飞的轰炸机前去轰炸瓜岛亨德森机场，他才下令“萨拉托加”号航空母舰上的30架轰炸机和8架鱼雷机前往攻击“龙骧”号。
由于此时日本的军舰尚未装备雷达，直到38架美机飞临“龙骧”号上空，“龙骧”号才发现美机来袭。舰长一声令下，“龙骧”号转向逆风行进，准备让自己的飞机升空，但此时也正是航空母舰最容易受到攻击的时候，美机抓往这一有利时机从高空俯冲而下，霎时就有4颗炸弹在“龙骧”号的甲板上爆炸。与此同时，8架鱼雷机也迅速从左右两侧同时进入攻击位置，施放了鱼雷，躲避不及的“龙骧”号又中了一条鱼雷。当晚8时，“龙骧”号沉入大海。
当“龙骧”号作为山本计划中的牺牲品受到美机如狼似虎般的攻击时，南云忍不住心中暗暗高兴。他认为敌机已被引开，向美航空母舰实施主要突击的时机已经到来。恰在这时，“筑摩”号巡洋舰派出的侦察机又发回了发现美舰编队的报告，南云当即下定决心，倾其全力进行攻击。中午1时，他首先从“翔鹤”号派出27架轰炸机和10架战斗机。ｌ小时后，又从“瑞鹤”号派出了27架轰炸机和9架战斗机。
16时2分，美“企业”号航母上的雷达发现了一群空中目标，这正是南云派出的前来攻击美舰的日机。弗莱彻急忙下令甲板上待命的飞机升空进行拦截，使在空中警戒的战斗机增加到53架。同时，“企业”号上仅存的11架轰炸机和7架鱼雷机也与“萨拉托加”号上的5架鱼雷机和2架轰炸机合兵一处，前往攻击日舰。至此，弗莱彻已把他的全部家底亮了出来。
双方机群在距离“企业”号25海里处的浓密云层中摆开阵势，周围几海里的天空中充满了空战时那种特有的尖厉刺耳的喧嚣声。不久，攻击“龙骧”号后返航的俯冲轰炸机和鱼雷机也赶来投入了战斗。
由于美军舰炮的拦阻射击相当厉害，加上日本飞行员的素质比突袭珍珠港时下降了许多，所以鱼雷机在进入攻击位置之前均被击毁，只有少数几架轰炸机得以突破防线，进行攻击。虽然数量不多，但日机单机鱼贯而入，每隔7秒钟就有1架不顾死活地进行俯冲轰炸。“企业”号舰长戴维斯上校拼命用大舵角急转，躲避天空飘下的炸弹，但还是难以躲过被击中的命运。
16时41分，美航空母舰“企业”号被一颗炸弹击中，35人当场死亡并引起大火；一分钟后，装有瞬发雷管的第二颗炸弹命中舰尾，橙色火花四溅，38人顿时血肉横飞；第三颗炸弹炸掉了起飞信号台，39人丧生。
为了避免与擅长夜战的日军进行夜战，弗莱彻少将急忙率舰队南撤，海面上只剩下“企业”号无依无靠，成了等待攻击的目标。就在这时，“企业”号的雷达又发现了一批日本飞机。这是从“瑞鹤”号上起飞的第二攻击波。
然而，令人惊叹的是，本来可以为南云赢得胜利、为日本国在中途岛的失败报仇雪恨的这批飞机，却犯了过早改变航向的错误。它们从“企业”号以西约50海里的地方溜了过去，然后放弃追踪目标一无所获地返航回撤。
日机离去后，“企业”号进行了紧急抢修，仅用1小时就扑灭了大火，舰身恢复平衡，航速达到24节，能够接收飞机着舰。
此次海战，日美双方出动的主要兵力对比为：航母3：2，水上飞机母舰1：1，战列舰3：1，巡洋舰16：4，驱逐舰30：11，日军几乎比美军多一半。然而，日军被击沉航母、巡洋舰、驱逐舰各一艘，被击伤水上飞机母舰、驱逐舰各一艘，损失飞机90架。美军仅一艘航母被击伤，损失飞机17架。日军不仅没有实现歼灭美军航母编队的企图，而且向瓜岛增援的目的也没有达到。可以说日军在这次海战中是彻底失利的。