Когда в 16.00 прием топлива наконец закончился, адмирал Хэлси сформировал новую ОГ 34.5, состоявшую из самых быстроходных линейных кораблей «Айова» и «Нью-Джерси» (под флагом Хэлси), 3 легких крейсеров и 8 эсминцев под командованием контр-адмирала Бэджера, и полным ходом устремился на юг, пытаясь перехватить японское центральное соединение. От Кинкейда продолжали поступать просьбы о помощи, хотя в одной из радиограмм сообщалось, что в районе острова Самар находится несколько поврежденных японских кораблей, а остальные начинают отход к проливу Сан-Бернардино. Хэлси оставил четыре из шести своих линейных кораблей с авианосцами Богана, а сам с двумя 28-узловым ходом поспешил к проливу Сан-Бернардино, опередив на 40 миль авианосцы Богана. Уже после завершения битвы Хэлси назвал свой поворот на юг тяжелейшей ошибкой: «Я упустил возможность, о которой мечтал с тех времен, когда был еще кадетом».
Не повернув на юг, он упустил не менее потрясающую возможность. Если бы он не шел упрямо на север 2,5 часа, то к 11.15, когда ему все-таки пришлось повернуть, он был бы на 150 миль ближе к Курните и смог атаковать его. Если бы он отреагировал на первые тревожные радиограммы, то вполне успевал перекрыть Курите отход через пролив Сан-Бернардино.
Зато отправка группы Бэджера создавала новую опасную ситуацию. 2 американских линкора могли столкнуться с 4 японскими, и исход этого боя был совершенно непредсказуем. Зато он вполне мог оставить на месте линкоры группы Шермана, чтобы довершить уничтожение соединения Одзавы. Но это произошло бы без участия Хэлси, чего он допустить не мог.
Теперь соединение Одзавы растянулось на 35 миль. На севере шли «Дзуйкаку», «Дзуйхо», «Исэ» и 4 эсминца. «Тама», оставляя за собой нефтяной след, тащился на полпути между ними и «Тиёдой», «Хьюгой» и «Симоцуки». Еще дальше находился «Исудзу».
Хотя было известно, что большая часть японского соединения полным ходом уходит на север и надо спешить, между вторым и третьим авиационными ударами прошло более трех часов. Третья ударная авиагруппа, в которую в основном вошли самолеты, вернувшиеся из первой утренней атаки и пополнившие свои запасы горючего и боеприпасов, состояла из 160 машин, причем самолетов всех трех классов было примерно поровну. Они поднялись в воздух около полудня.
Капитан 2-го ранга Уинтерс, координатор атаки, повел свои самолеты на север, не задерживаясь пролетел над поврежденными японскими кораблями и начал поиск основных сил противника. Винтере обнаружил ударный авианосец «Дзуйкаку», легкий авианосец «Дзуйхо», один линейный корабль, крейсер и три эсминца. Эти корабли, по-видимому, не получившие серьезных повреждений, уходили на север со скоростью 20 узлов.
Третья атака началась в 13.09. Определив скорость и курс целей, Уинтерс приказал авиагруппам с авианосцев «Лексингтон» и «Лэнгли» атаковать два авианосца. В небе над японскими кораблями вновь расцвели ярко окрашенные клубы дыма от разрывов зенитных снарядов, белые вспышки фосфорных снарядов и разрывы новых японских снарядов, выбрасывавших в воздух развертывавшиеся после взрыва мотки проволоки. Вспыхнул один из самолетов с «Эссекса», несколько других машин получили повреждения.
К этому времени «Дзуйкаку» развил 24 узла на правых валах. Теперь он стал главной целью американских летчиков. 12 пикировщиков с «Лексингтона», вооруженные 500-кг бронебойными бомбами, спикировали на «Дзуйкаку» и, пройдя над его палубой, сбросили на нее несколько бомб. За ними последовали девять «Хеллдайверов» с «Эссекса», имевшие такое же вооружение. Летчики сообщили о новых попаданиях в тяжелый авианосец. Торпедоносцы атаковали его с двух бортов, и хотя от первых торпед корабль уклонился, в 13.15 последовало первое попадание. Всего в «Дзуйкаку» попали 2 торпеды в правый борт и 4 в левый. В 13.25 атака завершилась, и «Дзуйкаку» был обречен. Из-за пробоин в правом борту крен увеличивался медленно, но авианосец потерял ход и быстро погружался.
В 13.27 крен достиг 27°, и команда была собрана на полетной палубе, в 13.58 командир авианосца капитан 1-го ранга Каидзука приказал покинуть корабль. В 14.14 «Дзуйкаку» повалился на левый борт и затонул кормой вперед, погибли капитан 1-го ранга Каидзука, 842 офицера и матроса. 862 человека были спасены эсминцами «Вакацуки» и «Кува».
Уинтерс приказал самолетам с авианосцев Дэвисона не пикировать до тех пор, пока он, снизившись, не проверит результатов первых атак. Нырнув под облако, он увидел, что «Дзуйкаку» охвачен дымом и пламенем, имеет крен на левый борт 20° и почти неподвижен. Пожар на «Дзуйхо», по-видимому, удалось потушить, и корабль продолжал идти нормально. Получив легкое повреждение своего самолета, Уинтрес взмыл вверх и приказал ожидавшим своей очереди самолетам с авианосцев «Франклин», «Энтерпрайз» и «Сан-Джасинто» атаковать легкий авианосец. Удары этих групп вызвали новый пожар на «Дзуйхо», но, когда самолеты улетели, он все еще продолжал идти на север.
