根据尼米兹在战前制定的迎战计划，美军的八艘航母一分为三，拖延几天再正式迎战，先是以从陆地上起飞的舰载机去进攻北华军第1舰队，从而给美军第1特混舰队提供趁虚而入的机会，如果第一波攻击没有起到很好的效果，那么美军第2特混舰队的舰载机会在夜里赶到北华军第1舰队的所在海域，趁着对方打开航母灯光的机会发动第二波进攻，力求歼灭北华军第1舰队的三艘航母，特别是最为庞大且具有象征意义的辽宁号重型航母。但实际上，尼米兹一开始的这三个计划都阴差阳错地没有如愿得逞，不仅如此，美军第1特混舰队还白白地暴露了自己的位置，但舰队司令弗莱彻少将当机立断，以“壁虎断尾”的方式，舍弃了邦克山号，当北华军第1舰队的舰载机群把邦克山号送入海底时，第1特混舰队的所有舰载战斗机都在邦克山号上空迎战，从而消耗了北华军第1舰队的舰载机力量，同时也更好地掩护了第1特混舰队另外两艘航母和四艘战列舰重新恢复隐蔽。另外，美军也有一个意外收获：北华军误以为他们已经击沉、重创了美军共两艘航母，从而在接下来低估了美军剩下的实力。
战场上的局势永远都是瞬息万变的。
邦克山号沉入大海的时候，尼米兹在争分夺秒地思考着如何反击。
此时，美军只有邦克山号暴露了，而北华军却已经有五艘航母暴露了。尼米兹非常希望能摧毁北华军第1舰队的三艘航母，但参谋长金凯德少将强烈地要求进攻北华军第2舰队，他的理由是：北华军第1舰队毕竟有三艘航母，实力还是很强大的，现在就进攻，不一定能取得太大战果，而北华军第2舰队只有两艘航母，实力稍逊于第1舰队。同时，金凯德提出了一个大胆设想：北华军第2舰队很有可能已经在战斗中抽调了很多舰载机去增援第1舰队，所以防御会陷入很大的空虚中。
尼米兹沉吟了半晌，一锤定音：“命令第1特混舰队转攻为守，防备北华军第1舰队；命令第3特混舰队做好战斗准备，防备北华军还隐藏着的其他航母舰队；命令第2特混舰队，立刻集结全部的力量，攻击北华军第2舰队！”
下达完这个命令后，尼米兹对金凯德少将道：“但愿你的推测是正确的。”
金凯德少将道：“我起码有百分之八十的把握。”
美军第2特混舰队的上空，从企业号、约克城号、大黄蜂号这三艘航母上呼啸起飞了足足172架舰载机，扑向在几个小时前已经被发现的、位于珊瑚海西北部的北华军第2舰队。
“发现大量敌机！距离90公里！”山东号和山西号的雷达兵都声嘶力竭地发出警报。
曾以鼎的神色仍然是波澜不惊，他其实已经预料到了，因此从容不迫道：“全体迎战！命令各艘航母，把所有能抛弃的可燃物全部都扔进海里！把弹药库里的鱼雷炸弹都推进海里！舰队全速开动，驶向那片积雨云！”
那片积雨云此时距离舰队还有十多海里，航母需要20多分钟。
战斗在上午10时30分正式爆发。
护卫第2舰队的二十架零式飞机纷纷甩掉副油箱，翻飞向南，奋勇迎战。飞行员们此时的心情是焦躁而痛苦的，因为他们知道双方实力寡众悬殊，靠着他们这区区二十架战斗机几乎不可能挡住的美军的攻击，舰队马上会迎来巨大的灾难，但这种背水一战的险恶局势也刺激了飞行员们破釜沉舟。零式们迅速爬升至八千米高度，旋即穿云破雾，居高临下地展开俯冲，猛烈攻击呼啸而来的美军机群。十几架复仇者鱼雷机和无畏式轰炸机霎那间被从天而降的猛烈弹火轰得脑浆迸溅，支离破碎的机身在流星飞火中滚滚而落，俯冲着由上至下穿插过美军庞大机群的零式们旋即漂移回旋，由下至上再度发起进攻，而在这同时，美军机群里的海盗们也纷纷甩掉副油箱展开俯冲，与向上爬升的零式对面互冲，劈头盖脑的弹火旋即把几架猝不及防的零式打得凌空爆炸。其余的零式毫无惧色，迎着海盗的弹火，鱼跃龙门般地穿梭到美军机群上空，再次把十几架美军鱼雷机和轰炸机打成了栽向大海的破碎飞星。空中的无线电的对讲机里，飞行员们火急火燎的喊话声响成一片：
“右下方！快看右下方！有几架鱼雷机飞向我们的航母了！”
“交给我们！二队，你们注意你们旁边的那队轰炸机！他们开始爬升了！”
“三队，你们头上有海盗！快甩开他们！”
“弟兄们加油！千万不能放他们过去！”
“不要跟他们的战斗机纠缠！消灭他们的鱼雷机和轰炸机！”
所有的飞行员无不咬紧牙关地拼死奋战，犹如一个坚守阵地的连队在抵挡敌方一个团的进攻。被打得凌空爆炸或拖着黑烟滚下云端的复仇者、无畏式接连不断，而天空中的零式也越来越少。足足有超过四十架美军的鱼雷机和轰炸机在靠近第2舰队的过程中被零式给击落，但更多的复仇者和无畏式已经铺天盖地地杀向了第2舰队。
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望着遮天蔽日的白色五角星，刘田甫、吕德元、唐静海、阎志恭等人都瞠目结舌。
10时38分，第一架美军鱼雷机开始低空飞行，试图对远处的山东号发射鱼雷。但在投雷之前的一霎那间，一架零式犹如发狂的野牛般狂飙而来，一头撞向这架复仇者，两架飞机齐齐失控，摔入大海。事后得知，这架零式已经耗尽了弹药，所以才采取了如此悲壮的方式。
北华军是反对自杀性进攻的，无论陆军、海军还是空军，飞行员驾着飞机撞向敌军都是不会得到嘉奖的，甚至都得不到英雄或烈士的称号，这是为了避免飞行员过于冲动而做出无谓的牺牲，也防止军队里形成轻易自杀的坏风气。但在这场空战中，累计有12架耗尽弹药的零式飞机选择撞向来袭的美机，硬生生地撞下了9架美军飞机。这些飞行员完全可以跳伞逃生，也很清楚他们的行为得不到嘉奖并且还极有可能赔上性命，但他们为了彻底地履行自己的职责，无怨无悔地采取了这种极端的方式来保护舰队。
激烈的空战结束后，超过100架美机对第2舰队发动了进攻，包括50架以上的鱼雷机和轰炸机。
护卫航母的巡洋舰、驱逐舰齐齐对空怒绽烈焰，舰队上空霎那间火柱林立、硝烟如云，震荡波使得海面上波澜迭起、恶浪翻腾，第2舰队第3分舰队的四艘战列巡洋舰知道敌方的目标是航空母舰，齐齐飞轮转向，驶到航母身边，试图为航母吸引火力。暴风骤雨般的防空火力网中，被击落的美机犹如秋风扫落叶般滚滚而落，但鱼雷和炸弹已经倾泻而落。碧波浩渺的浪涛间，一条条鱼雷犹如离弦之箭般破浪飞梭而来，已经丧失空中力量的第2舰队在拼尽全力地保护着航母。护卫山东号的溧阳号驱逐舰在看到有两条鱼雷射向山东号后，舰长义无返顾地命令驱逐舰全速转道档上去，两条鱼雷全部命中溧阳号右舷同一侧，在震撼海空的巨大爆炸和拔地而起的巨大火球中，军舰中部顷刻间被炸碎，直接回天无力。舰长冷静地命令舰上伤员先行撤退，其余官兵继续坚守岗位，特别是防空炮的炮手和高射机枪的射手，都坚持到了最后一刻。溧阳号在二十分钟后才缓缓沉没，但在沉没前的最后一刻，舰上的防空炮和高射机枪一直在对空轰击扫射。
山东号和山西号航母上，所有的舰员都在狂奔着各司其职，炮手射手在全力对空开火，航母的舰尾，事先已经搜集堆积在这里的可燃物，包括舰上官兵睡觉的棉垫衣物，统统都被扔进了海里，而在航母的两舷的各个通道，地勤人员和机械师争分夺秒地开动车辆，把弹药库里的上百条鱼雷和上百颗炸弹都推进了海里。10时45分，山东号首先中弹，一架无畏式投下的炸弹瞬间击中了航母的飞行甲板，贯穿透顶，正好落入一个弹药库里猛然爆炸，但这个弹药库里储存的所有弹药刚刚都被推进了海里，因此炸弹爆炸后只是炸碎了航母的一部分内部结构，没有引起连环爆炸。看到这一幕的舰员们都心有余悸，同时都对曾以鼎事先下达的明智命令深感敬佩。
空中的美机蜂拥而落，更多的炸弹和鱼雷不断飞向山东山西。溧阳号的英勇表现起到了非常鼓舞人心的榜样，护卫山西号的沁阳号驱逐舰也勇猛冲锋，自愿为航母抵挡飞梭而来的美军鱼雷，这艘驱逐舰奇迹般地连续挡下了三条鱼雷，还有一条美军鱼雷则被舰上的机炮给半路打爆，沁阳号随即也壮烈战沉，而旁边的莱阳号不知道是判断失误还是舰长试图逃跑，竟然采取了违反规避章则的动作，一头撞到了山西号上，霎那间两舰齐齐震动，舰上官兵都摔得天旋地转，莱阳号的舰艏完全被撞毁，军舰犹如被敲掉了瓶底的啤酒瓶般迅速向前倾覆，最后舰艉高高翘起着被怒涛恶浪吞没。莱阳号的舰长最后被北华海军高级军事法院判了十二年有期徒刑，因为他的行为不但葬送了莱阳号驱逐舰，还使得莱阳号把山西号的中部主装甲带撞开了一个大缺口，致使大量海水灌入山西号的底舱，浇灭了一半的锅炉机。