Хотя у Одзавы почти не осталось самолетов, он действовал так, как будто имел полные авиагруппы. В 05.45 с «Тиёды» взлетели два B5N2 противолодочного патруля. Через 10 минут с «Дзуйкаку» на разведку вылетели 4 B6N2. В 06.10 Одзава отправил на Филиппины оставшиеся у него истребители бомбардировщики: 5 «Зеро» с «Дзуйкаку» и один с «Дзуйхо», а также последний пикировщик D4Y2 с «Дзуйкаку». В 07.17 «Дзуйкаку» поднял 4 «Зеро» воздушного патруля, а в 09.06, когда были замечены американские самолеты, с него взлетели последние 9 «Зеро». «Тиёда» тоже поднял последние 3 истребителя. Одзава разделил свое Мобильное соединение на две группы. Группа 5 состояла из тяжелого авианосца «Дзуйкаку» и легкого авианосца «Дзуйхо», которые прикрывали линкор-авианосец «Исэ», легкие крейсера «Оёдо», «Тама», эсминцы «Хацудзуки», «Вакацуки», «Акидзуки», «Кува». За кормой у нее шла Группа 6: легкие авианосцы «Титосэ», «Тиёда», линкор-авианосец «Хьюга», легкий крейсер «Исудзу», эсминцы «Симоцуки», «Маки».
В рапортах обоих сторон имеются расхождения, но следует предположить, что атака началась около 08.30. Вдобавок имела место неизбежная путаница, когда в атаке участвует слишком много самолетов. Первыми атаковали пикировщики «Хеллдайвер», за ними последовали истребители, старавшиеся подавить зенитки и обеспечить атаку торпедоносцев. Японцы отчаянно маневрировали, ведя огонь из всех орудий, «Исэ» и «Хьюга» использовали главный калибр. Огонь был настолько плотным, что над кораблями висело нечто вроде кучевых облаков. Однако при этом результаты оказались ничтожными, американцы потеряли только 10 самолетов, хотя многие были повреждены в той или иной степени.
Американские самолеты тоже атаковали несколькими волнами. Первая (примерно 80 самолетов) появилась справа по носу у группы 5. Вторая (примерно 50 самолетов) прошла между обеими группами, а потом атаковала Группу 6 с правого борта. Атакующие самолеты заходили на цели со всех направлений.
В этом бою закончилось везение «Счастливого журавля» – «Дзуйкаку». Это был последний из авианосцев, участвовавших в налете на Пёрл-Харбор, он стал главной целью атакующих. На него со всех сторон набросились торпедоносцы и пикировщики. Он огрызался из всех орудий и безуспешно пытался использовать ракетные установки. Ракеты выбрасывали металлические тросы, которые, как надеялись японцы, запутают винты самолетов. В 08.35 он получил 3 попадания 250-кг бомбами, начались пожары в верхнем и нижнем ангарах. Затем в левый борт между элеваторами № 2 и 3 попала торпеда, было затоплено левое заднее машинное отделение. Крен достиг было 29°, но его быстро уменьшили до 6°. Выяснилось, что работают только правые валы, авианосец не мог дать больше 23 узлов. Самое неприятное, что вышли из строя все радиопередатчики, и Одзава решил перенести флаг на крейсер «Оёдо», но в 09.53 началась вторая атака. Однако большинство американских самолетов набросилось на авианосец «Тиёда», а от нескольких торпед «Дзуйкаку» уклонился.
В 08.35 три бомбы взорвались возле кормы «Дзуйхо», а одна попала в кормовую часть полетной палубы. Повреждения оказались типичными для легкой конструкции японских авианосцев – палубу выгнуло горбом, начались небольшие пожары в ангаре, временно отказало рулевое управление. Небольшой крен был быстро выправлен, управление восстановили, а в 08.55 потушили пожары. Вторую атаку авианосец сумел отбить плотным зенитным огнем.
Группа 6 тоже не осталась без внимания. Все корабли открыли частый огонь, в том числе даже главный калибр «Хьюги». «Титосэ» получил бомбу в левую раковину, и его скорость резко снизилась. «Тиёда» был атакован со всех направлений, но, благодаря помощи эсминца «Симоцуки», атаку отбил. Так как «Титосэ» теперь стоял без хода, «Симоцуки» был отправлен ему на помощь. В ходе этой атаки первым пострадал легкий авианосец «Титосэ», который получил несколько прямых попаданий. Пикировщики «Эссекса» претендовали на 8 попаданий, еще несколько добавили «Хеллдайверы» «Лексингтона». Кроме того, три бомбы взорвались под водой вплотную к борту, впрочем, считается возможным, что это были попадания торпед «Авенджеров» с «Эссекса». Были затоплены котельные отделения № 2 и № 4 по левому борту, корабль получил крен 27 градусов. Контрзатопление уменьшило крен до 15°, но тут отказало рулевое управление, и авианосцу пришлось управляться машинами. Потом крен увеличился, вода затопила переднее правое машинное отделение, скорость упала до 13 узлов. В 09.15 затопило заднее правое машинное отделение, и скорость сократилась еще больше. Хотя крен «Титосэ» достиг 30°, адмирал Мацуда приказал крейсеру «Исудзу» взять его на буксир. Это не удалось. В 09.37 «Титосэ» перевернулся через левый борт и затонул носом вперед. Погибли 904 человека, «Исудзу» и эсминец «Симоцуки» спасли 601 человека.
