第 25 航空队在收到水上侦察机发现对方舰队的信息后立即开始出动，0715 时，第 4 航空队的 12 架 G4M 从拉包尔的瓦纳卡努出发前往攻击，这些飞机均携带一枚 91 式航空鱼雷准备进行雷击。
TF.17 支援舰队于1140 时通过雷达发现了日军的攻击飞机， 当时双方相距约 46 公里。11 分钟后，“芝加哥”号使用 127mm 炮进行对空射击，由于此时双方还相距有一段距离，日军飞机尚未飞到火炮射程之内，因此两分钟后重巡洋舰便停止了射击。同时支援舰队开始进行机动，不断调整航向以规避日军飞机攻击。大约半个小时后，双方开始接触，日军飞机从支援舰队左前方由低空开始进行攻击，这些 G4M 轰炸机的高度下降到距离海面只有15 米左右，贴着海面向美军舰队的防空火力圈中突击，支援舰队的巡洋舰和驱逐舰使用所有的防空炮火进行迎击，日军飞机冒着炮火逼近舰艇并投下鱼雷，在整个过程中有 4 架飞机被击落，包括这次攻击的指挥官小林国治大尉在内的 31 人阵亡。在完成攻击返回后，第 4 航空队宣称击沉击伤对方战列舰各一艘，重创一艘重巡洋舰，实际上他们不但将对方的舰只类型识别错了，对战果也判断错误，TF.17 支援舰队在这次攻击中没有一艘舰只被鱼雷击中，仅“芝加哥”号有 7 人在日军飞机投雷脱离时用机枪扫射而被打伤。在这一队轰炸机攻击之后，隶属第 25 航空队的元山航空队又对支援舰队进行了炸弹轰炸，还是没有击中任何目标。
在日本飞机对“尼奥肖”攻击期间，自“古鹰”号重巡洋 舰上弹射起飞的一架侦察机从另外一个位置报告发现敌方航空母舰舰队，机动部队马上判断出这个位置一定是美国航空母舰所在的真实位置，同时坐镇拉包尔的井上成美将军命令 MO 机动部队、MO 攻略部队对敌方航空母舰进行攻击，但由于第 5 航空战队的机群还在攻击美国油船途中，而攻略部队中的“祥凤”正遭到美军飞机攻击而使此次行动没有得到执行。
双方的攻击行动都使对方立即意识到对手就在附近，不过接下来双方采取的则是不同的策略。弗莱彻收缩兵力以应对可能到来的打击，不过他转向的航路正好直对日本舰队。日本第 5 航空战队指挥官原忠一少将在得到高木武雄发来的岸基飞机的报告后挑选出具备夜间着舰能力的飞行员组成搜索攻击机群前往他大致判定的方向。这是一个比较冒险的决定，因为出击的飞机很可能会在天黑后才能返回，不过也能避免昼间攻击发生航空母舰对攻的风险。
美国海军在雷达技术方面领先于日本，这使得在珊瑚海海战中美国航空母舰可以依靠雷达提前半小时左右探知对方飞机来袭。“列克星敦”号和“约克城”号在这次海战之前都已经装备了 CXAM 雷达，这种雷达是从陆军的 SR-270 雷达发展而来的。图为美国海军早期在大型战舰上使用的 CXAM-1 雷达的天线。
1315 时，从“翔鹤”和“瑞鹤”号上总共起飞了 8 架 B5N 向西进行搜索，试图找到美国航空母舰舰队，但是这批飞机一无所获，在三个多小时后返回母舰。尽管没有找到美国航空母舰舰队， 原忠一还是在侦察机起飞一个小时后便开始派出攻击机群。他对美国航空母舰舰队的位置的判断则是根据此前得到的报告，根据这些情报，美国航空母舰舰队同他们之间的距离有些远，出击的机群航程有可能够不到。
1415 时，“瑞鹤”号开始放出攻击机群，这支机群由 6 架俯冲轰炸机和 9 架鱼雷机组成，15分钟后“翔鹤”也起飞了 6 架俯冲轰炸机和 6 架鱼雷机。这些飞机的飞行员均为第 5 航空战队中的飞行队长、飞行分队长或有经验的老兵。
这些日本飞机起飞后不久，美国航空母舰舰队的雷达便发现了它们。自 1550 时起，“约克城”号起飞战斗机准备进行截击。同时，在空中的“列克星敦”号的 VF-2 中队的战斗机也向日军飞机飞过来的方向飞去。在作战区域中的天气并不好，空中满是乌云，美国战斗机可以得到航空母舰上的指示引导，因此未对美军战斗机的截击行动造成太大影响。VF-2 中队首先同日军飞机接触，该中队的中队长保罗 . 休伯特 . 拉姆齐海军少校报告称他们攻击的目标是日军战斗机。接着，从云层中出来的由 VF-42 中队副中队长詹姆斯 . 亨利 . 弗拉特利海军少校带领的编队看到了被 VF-2 中队击落的日军飞机坠毁在海面上后燃烧的痕迹，随后他看到了从其下方通过的一群飞机，在他的飞机后方的 2 架 F4F 自行离开编队前去攻击从一旁通过的日军机群，弗拉特利在这 2 架飞机离开编队后发现了贴近海面飞行的一架日军飞机，于是带队攻击。这架日军飞机被布雷特钠 . 塔克 . 麦康博海军中尉击落。在将这架飞机击落后，弗拉特利试图联系先前离队的飞机，但是没有得到回答，这两架飞机中的莱斯利.L.B. 诺克斯海军少尉就此失踪。另外他的编队还有一架战斗机失踪。美国海军的这次截击击落了 9 架日军飞机，自己损失了 3 架。
日军飞机尽管遭到了对方战斗机的拦截并损失较大，不过依旧继续搜寻美国海军航空母舰舰队，由于天气状况很恶劣，他们未能发现对方。最终，进行搜寻的“瑞鹤”号的机群在受到美国战斗机拦截后决定返航，“翔鹤”号的机群在“瑞鹤”号机队返航后不久也决定返回，为了减轻负荷，这些飞机在 1640 时左右将携带的弹药丢弃。然而就在将携带的炸弹和鱼雷丢弃后仅仅5 分钟，一架 B5N 就报告发现敌方舰队。
随后， 返航的“翔鹤”号上的日军飞机由该舰飞行队长高桥赫一带领经过了“约克城”号上空，此时恰好有几架飞机正在盘旋着舰，一些日本飞机误认为这是自己的母舰而跟着美国飞机降落，其中一架飞机还打信号进行示意并打开了转向灯，“约克城”及护航舰只立即向正在降落中的日本飞机开火，其中 1 架被当即击落，这时日本飞行员们才恍然大悟，但用于攻击的武器已经被丢弃，而且面临着美舰炮火的攻击，幸存的飞机只好连忙离开，并很快就找到了自己真正的母舰。“列克星敦”号的雷达一直跟踪着这批飞机，并发现它们就在附近不远处降落了，双方舰队之间的距离仅有几十海里而已。而日军根据飞行员的报告也知道了对方的方位。就这样，双方都对对手大概的位置有了了解。