Через пять минут после отправления ответной радиограммы, в 09.00, командующий 3-м флотом получил третью просьбу от Кинкейда, а через несколько минут была принята четвертая, посланная следом за предыдущей с интервалом в две минуты. В обеих радиограммах Кинкейд просил немедленной помощи авиацией и линейными кораблями, но на этот раз сообщал о составе флота противника, в который входили четыре линейных корабля и восемь крейсеров, не считая других кораблей, и прибавил, что боеприпасов на американских линейных кораблях очень мало. Командир атакованной группы контр-адмирал Клифтон Спрэгью сообщал, что атакован японскими линкорами и крейсерами.
Продолжать утешаться предположением, что через пролив Сан-Бернардино удалось пройти лишь жалким остаткам соединения Курита, было уже невозможно. Если данные Кинкейда точны, то это были не остатки соединения, а, за исключением одного линейного корабля, целое соединение, то соединение, которое вчера «было уничтожено» шестью ударами с воздуха! В это было трудно поверить. Некоторые офицеры сначала и не поверили в это. Возможно, думали они, это выдумка напуганных внезапной атакой людей.
Адмирал Хэлси ответил немедленно. Он сообщил свои координаты, указав, что ведет бой с японским авианосным соединением, и повторил, что приказал оперативной группе МакКейна в составе пяти авианосцев и четырех тяжелых крейсеров незамедлительно прийти на помощь 7-му флоту. Линейные корабли продолжали полным ходом идти на север. За ними тем же курсом следовали авианосцы. Поток радиограмм от Кинкейда не прекращался. «Требуется, чтобы Ли шел полным ходом для прикрытия Лейте». «Требуется немедленная помощь тяжелых кораблей». «Ситуация критическая, нужны линкоры и быстроходные авианосцы, чтобы помешать противнику прорваться в залив Лейте». Вдобавок Кинкейд сообщил, что на линкорах Олдендорфа после ночного боя почти израсходованы боеприпасы.
Тем не менее в 08.30 с авианосцев Хэлси начала взлетать вторая волна. В 10.06 Хэлси по УКВ приказал всем командирам авианосных групп проинструктировать летчиков атаковать только неповрежденные корабли, а выведенные из строя приканчивать позже.
Вторая американская ударная группа состояла из 12 «Хеллкэтов», 6 «Хеллдайверов» и 18 «Авенджеров» – самолетов, которые в 08.30 начали взлет с «Лексингтон», «Франклин» и «Лэнгли». Из-за того что две участвовавшие в налете группы американских самолетов не вышли в назначенную точку сбора, удар по японским кораблям был плохо скоординирован, и на подходах к цели американские бомбардировщики и торпедоносцы не имели соответствующего прикрытия истребителей. Противодействия со стороны японской авиации самолеты второй волны не встретили, но два американских самолета были повреждены зенитным огнем противника. Вероятно, из-за полученных при запуске с катапульты повреждений ни один из пяти торпедоносцев «Лэнгли» не добился попаданий. Эскадрилья торпедоносцев «Лексингтона» сообщила о попаданиях в тяжелый авианосец, линейный корабль и легкий крейсер. Пилоты бомбардировщиков «Франклина» донесли о попаданиях 500-кг бомб в два легких авианосца, на которых возник пожар.
К концу второго удара стало ясно, что японское соединение разделилось на две группы. Одна из них состояла из поврежденных, потерявших ход кораблей, прикрываемых другими кораблями, циркулировавшими вокруг них. Сообщалось, что один легкий авианосец стоит без хода в охранении линейного корабля и эсминца. В таком же состоянии находился один легкий крейсер, вокруг которого описывали круги два эсминца. Предполагалось, что другой легкий крейсер сильно поврежден или даже потоплен. Группа поврежденных японских кораблей находилась недалеко от точки первоначального обнаружения соединения Одзавы.
Во время второй атаки решилась судьба авианосца «Тиёда». Так как позднее корабль погиб со всем экипажем, то описание составлено по показаниям экипажей других кораблей. В 10.00 он получил попадание бомбы в кормовую часть полетной палубы по левому борту, а также несколько разрывов по правому. На корабле начались пожары, «Тиёда» получил крен 13° на правый борт. Из-за повреждения рулевой машины корабль перешел на ручное управление, о чем сообщил. В 10.16 было затоплено правое машинное отделение, вскоре авианосец потерял ход. С ним остались для оказания помощи «Симоцуки» и «Маки». В 10.50 с него просигналили, что действует только левая машина, и корабль попытается дать ход, но в 11.00 «Тиёда» передал, что полностью потерял ход.
В 10.32 адмирал Одзава со своим штабом перешел на «Оёдо», процесс завершился к 11.00, и корабли снова дали ход. «Дзуйкаку» не мог развить больше 18 узлов. Из-за повреждений авианосцев истребители воздушного патруля не могли сесть на них и были вынуждены садиться на воду. В 12.38 «Исудзу» попытался было буксировать «Тиёду», но стало понятно, что это невозможно, точно так же пришлось отказаться от попыток буксировки и линкору «Хьюга». Третья американская волна уже не обратила внимания на обреченный авианосец.
