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幾分鐘後，關衛少佐的第二攻擊隊到達戰場上空，他首先發現了起火燃燒的大黃蜂號，但他判斷攻擊大黃蜂號編隊的飛機數量夠多了，而從美軍今天對炮擊艦隊的進攻頻率和速度來看，對方一定還有另一艘航母。順著這個思路，攻擊隊很快就找到了10海里外的企業號和南達科他號。
迎接第二攻擊隊的是南達科他號戰列艦兇猛的防空炮火，這艘戰列艦上裝備了上百門40mm博福斯高炮，防空火力如同地獄般恐怖。一架九九艦爆在俯衝前右翼中彈起火，飛行員跳傘沒成功，連人帶機撞在南達科他號的前甲板上。日軍其餘飛機繼續猛攻，主要火力集中向企業號招呼，南達科他奮力擋槍，先後中了4顆炸彈，中炮塔被炸壞而不能使用。隨即九七艦攻們開始投雷，南達科他號連中2雷，不過只進水4000多噸就被控制住了，整體略微傾斜5度，企業號中了一雷，速度降低到只有13節，另一條魚雷本是衝著企業號去的，他身邊的驅逐艦史密斯號奮力阻擋，以自己的沉沒替企業號抗下了一雷。
從9:19分開始，企業號2分鐘內被五顆炸彈直接命中，一顆炸中了前部升降機之後的飛行甲板，前部升降機因電力中斷而卡在一半的高度上，另2顆炸彈擊中了右舷，炸出一個直徑2米見方的大洞，還有2顆在艦尾爆炸，艦尾操作室被炸開一個破孔，次方向舵也被炸壞。9:27，企業號又接連被3顆炸彈擊中，第一顆穿過飛行甲板落在轟炸機彈藥艙上，當場引爆了機庫。第二顆命中艦首飛行甲板最前端，穿過飛行甲板和船殼落入水中，第三顆則把右側錨鏈艙炸開一個破口。此時企業號傾斜已相當厲害，但仍然能靈活的左右機動，避開了其它炸彈。而損管人員抓緊時間搶修，竭力維持其基本的起降能力。
此時，第三攻擊隊到達戰場，面對已起火的兩艘航母改變策略，先行發射魚雷削弱存活軍艦。大黃蜂號再次被命中兩條魚雷，掙扎著緩緩沉沒，企業號周邊布滿了擋槍者，重巡洋艦波特蘭號連中5雷，再加上前面吃到的2顆炸彈，不到半分鐘就宣告沉沒，全艦隻逃出27人，波特號驅逐艦靠近企業號，挨了2顆航空炸彈，也只能接受沉沒的命運，不過他在沉沒前還擊落了一架九九艦爆。彭薩科拉號重巡洋艦和聖地亞哥號輕巡洋艦前赴後繼地上來擋槍，各中3顆炸彈加一條魚雷，4分鐘內沉沒。
南達科他不愧為粗又硬，繼續吃了1枚魚雷和2顆炸彈，傾斜趨勢進一步加劇，注水後勉強恢復平衡，不過此時已吞下了6000多噸海水，速度也降低到了11節，而企業號的航速只有9節。現在整個TF16\17比較完好的大艦還剩重巡洋艦北安普頓號，只見他加快速度，再次與南達科他一左一右護住企業號，整個TF16\17一共有14條驅逐艦，除已沉沒的軍艦外，其餘包括馬漢號、庫欣號、普雷斯頓號、莫里號和巴頓號等5條驅逐艦艦在外圍，他們不同程度地帶著傷，但依然頑強地構建了最後一個圓形防禦陣，對抗著空中200多架飛機。
天空中本來有20架護衛戰鬥機，他們與零式奮力拼殺，最後幾架看著勢頭不對，抓住空擋也如法炮製地用撞擊法對付即將投彈或投雷的日本飛機，先後有3架艦爆和2架艦攻墜落海中。十幾分鐘後，空中就只有日本飛機而沒有美國飛機了。
機動艦隊80%以上的對艦攻擊機已投完彈藥準備返航了，還有17架艦爆和13架艦攻沒有投彈，他們自發地糾集起來，在40多架零戰的掩護下（其實掩護與否也無關緊要了）組建了最後一次臨時攻擊波，對殘餘美國艦隊展開進攻，北安普頓號連中3雷沉沒，南達科他號又中2顆炸彈，前後炮塔全部損壞，企業號再中2顆炸彈，不過畢竟是正規大型空母，生命力比飛鷹要強，雖然起降能力徹底喪失，整體傾斜高達15度，但依然還在蹣跚移動，5條驅逐艦被擊沉了4條。
到9:48分時，這場海空戰終於接近了尾聲，曾經威風凜凜的雙航母TF16\17編隊只剩下了3條慘重傷亡的軍艦，最高航速是巴頓號驅逐艦的9節，南達科他只有6節，企業號7節，除了放出去的最後46架進攻機群，整個編隊艦載機也近乎完全覆滅了。
就最後46架飛機的使用金凱德徵求了哈爾西的意見——去攻擊日本航母部隊顯然不現實，他們只有2個選擇，一是回頭往紐幾內亞島方向飛行，能飛多近飛多近，然後跳傘讓人搭救，另一個選擇是繼續攻擊日本炮擊艦隊，哈爾西痛苦地思考了3分鐘，決定把權利下放給帶隊指揮官。
聽說身後的艦隊近乎全軍覆沒，第三攻擊波所有飛行員一片沉默，最後一致決定繼續進攻日本艦隊，死也要死在衝鋒的路上，10:27分，炮擊艦隊迎來最後一波美軍進攻，他們近乎用以命搏命的方式在進攻，大和號又吃了2顆炸彈加一條魚雷，進水量達到4800噸。羽黑號被命中一條魚雷，長門與陸奧各吃到2顆炸彈，春雨、五月雨驅逐艦被擊沉。擔任掩護任務的零式戰鬥機損失23架，再加上戰鬥結束後油料基本用盡、飛行員只能跳傘的7架，最後擔當掩護任務的零式只剩下了35架。而這46架美國飛機也近乎全軍覆沒，最後脫離現場飛往紐幾內亞的飛機只剩下14架。
雖然戰鬥已接近了尾聲，但堀悌吉的鬥志反而越來越高昂，他已知道了目前TF16\17的情況，也知道還有3條軍艦在水面掙扎著，他下達了新的作戰指示：「所有情況良好的高速重巡洋艦全速趕往現場搭救落水人員（不論敵我）並儘可能擊沉敵艦，主力隨後趕到，機動艦隊不必再行進攻，戰場掃尾工作由炮擊艦隊完成。」