于是，跟随在扬克尔战列舰队之后大约50海里外的奥中八艘航空母舰开始出击，9点30分，第一攻击波260架舰载机完成编队，开始向山本舰队发起攻击。紧接着，在10点，和10点30分，航空舰队又派出了第二攻击波的230多架战机和第三波160多架作战飞机。
海战的结果根本没有什么悬念，山本舰队虽然有“千岁”和“千代田”两艘改装航母，本身只拥有50多架作战飞机，而且还没有多少进攻能力。从上午11点开始，在战斗开始后的十几分钟里，山本舰队唯一能够抵抗的40来架战斗机就全部被击落，整个联合舰队所谓的“主力舰队”就完全成了海面上的靶子。联军舰队机部队飞行员们所要做的就是周而复始地选择俯冲角度，然后象演习一样开始进行俯冲，投弹，拉高，一波一波的联军飞机就是在在做着同样的动作。轰炸最主要的对象当然是以“大和”、“武藏”为首的八艘战列舰，当然联合舰队中的其它军舰也难以幸免。
整个海战完全演变成了一边倒的屠杀，13点10分，“千代田”号和“千岁”号航母首先被击沉，其后“鸟海”、“摩耶”号重巡洋舰和“大淀”、“神通”号轻巡洋舰也被击沉，随之“山城”号战列舰也完了。海面上现在浓烟滚滚，联合舰队已经乱成了一团，开始四下逃窜，整个防空圈更是漏洞百出。
山本站在“大和”号的舰桥上，脸色铁青，紧闭着双唇，一言不发。草鹿参谋长也站在他的身旁，他已经下令整个联合舰队开始全力撤退，但能否逃得出去，谁也不知道。实际上，即使这些战列舰能逃回去几艘，对战局也并没有多大影响。这些造价昂贵的战列舰在航空母舰面前，完全就没有还手之力。
13点30分，“扶桑”号战列舰发生殉爆，整个战列舰断裂成两截，全舰1420名官兵无一生还，在这期间，“三隈”号和“铃谷”号重巡洋舰、“川内”号、“鬼怒”号轻巡洋舰又先后沉没。“大和”号也被命中了四枚航弹和三枚鱼雷，不过，这艘超级战列舰确实经打，只是航速稍减，依然没什么大碍。
战斗仅仅进行了一个半小时，联合舰队就已经丧失了近三分之一的主力舰船。
14点10分开始，联军把目标集中到了联合舰队的两艘超级战列舰身上，14点30分，“武藏”号被至少12枚鱼雷，7颗航空炸弹击中，已经左倾20度，山本无奈地下达了他生前最后的命令：“总员退舰”。
14点33分，“大和”号的舰桥被接连命中两枚600公斤重的航弹和一枚900公斤重的航弹，发生大爆炸，包括山本在内的联合舰队大部分司令部成员身亡。整个联合舰队陷入到混乱之中，开始分头逃亡。
“大和”号已经伤痕累累，大部分副炮和高炮失去作用，舰体结构虽然没有致命的损伤，但航速已经降到了20节。
14点47分，“日向”号战列舰沉没。
15点35分，“陆奥”号被重创，航速降至15节，在此期间，“妙高”、“羽黑”、“熊野”号重巡洋舰沉没，“阿武隈”、“神通”、“北上”、“大井”号巡洋舰也先后被击沉。
此时，天气变坏，挽救了日本舰队，失其免于遭受全军覆没的悲惨命运。
由于天空开始下雨，联军在随后发动的最后一波攻击中战果不大，只击沉了“木曾”号巡洋舰、4艘驱逐舰和3艘运输船。
16点42分，扬克尔上将鉴于天气状况，下令停止进攻，舰队开始南返，整个海战结束。
坐镇“长门”号上的日本第二舰队司令近藤信竹代替阵亡的山本，指挥联合舰队残余的舰船退往佐世保军港。至此，联合舰队已经几乎完全丧失了进攻的能力。
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