日军飞机越过负责防守的驱逐舰和巡洋舰， 将突击目标放在两艘航空母舰上。“列克星敦”和“约克城”号只好分别向两个方向进行规避。日军的 B5N 九七舰攻自背向阳光方向紧贴海面发起攻击，而 D3A 九九舰爆则采用高空俯冲方式进行攻击。“约克城”首先遭到攻击，11 架 B5N 向其发动雷击，2 架在猛烈的防空炮火中被击落， 其余 9 架飞机发射的鱼雷被规避掉，无一命中。由一架D3A 投下的一枚 250kg 炸弹击中飞行甲板， 并穿透 3 层甲板在舰内爆炸，不过“约克城”的飞机起降能力未受到大的影响。在攻击这艘航空母舰时，日本飞机受到了护航舰和航空母舰上的猛烈炮火的还击，一架被击中的 B5N 在被“阿斯托里亚”号重巡洋舰的火力击中后试图对其进行撞击，但是最终失控，坠毁在距离这艘军舰不到300 米的海面上。而“切斯特”号重巡洋舰受到2架 B5N 的攻击，它将这 2 架飞机先后击落，日机投下的鱼雷从其舰尾约 50-70 米处通过，随后该舰又将一架从其前方经过试图攻击“约克城” 号的鱼雷机击落。
受损的“约克城”号的内部
日军的俯冲轰炸机同样对“列克星敦”号进行了轰炸，其中“翔鹤”号的D3A 命中 2 枚炸弹， 另外还有 3 颗近失弹。第一枚炸弹击中了这艘航空母舰的左舷的一个 127mm 炮的待命室，造成一门火炮损毁，飞行甲板左舷变形，3 人当场阵亡。这枚炸弹还引起火灾，但是被很快扑灭。第二枚炸弹则击中了烟囱左侧的 12.7mm 机枪台附近， 纷飞的碎片造成这个位置上的机枪组成员严重伤亡。3 枚近失弹也造成“列克星敦”号下部储物舱进水以及多处损伤。6 架 B5N 鱼雷机从“列克星敦”的两侧的三个方向进行了夹击，0920 时2 条鱼雷命中左舷，导致 3 个锅炉舱进水，随后D3A 俯冲轰炸机投下的炸弹命中 2 弹，航母发生7 度的横倾。这次攻击仅仅持续了 9 分钟左右，有 12 架日军飞机被击落，其中包括日军空中作战的总指挥高桥赫一的座机。日军宣称在作战中击落了 23 架美军飞机。
被击中后的“列克星敦”号上的防空炮位，可以看到阵亡人员的尸体还没有搬运下来
日军飞机在完成攻击返航时再次受到巡逻 的美国战斗机和俯冲轰炸机的拦截，SBD 在拦截这些飞机时取得了一定的战果。VS-2 中队的威廉 .E. 霍尔中尉在这场空战中在试图攻击一架B5N 时遭到 3 架零战围攻，但是他依旧坚持战斗，尽管飞机座舱被零战击中，并将其右脚几乎打断， 但是他依旧依靠左脚配合驾驶飞机，并将 B5N 击落。最后他带伤驾驶飞机在已经遭到重创的“列克星敦”号上降落，飞机在这之后被摇晃的航空母舰甩到了海里。霍尔中尉因为这场战斗的英勇表现后被授予荣誉勋章。VB-2 中队的 3 架 SBD 在对日军飞机进行拦截时由于受到己方防空炮火的影响而只好分开各自为战。弗兰克 . 罗纳德 . 麦克唐纳海军少尉的右肩被 A6M 的 7.7mm 机枪子弹打中，他忍着痛驾驶飞机返回“列克星敦”号， 在降落时飞机没能勾住拦阻索而坠毁，不过他和后座机枪手被附近的驱逐舰救起。
皇家澳大利亚海军“澳大利亚”号巡洋舰正在为 TG17.5 进行防空护卫， 可以看见一架日军双发飞机正以很低的高度飞过该舰附近。
日军的攻击机队指挥官，“翔鹤”号飞行队长高桥赫一少佐在日机机群对“列克星敦”号进行攻击后报告击沉一艘“萨拉托加”型航空母舰，但是当日军机群撤出后，继续在战场上进行观察的高桥赫一沮丧地发现这艘航空母舰还在海面上， 于是他指示机上的侦察员撤除先前的报告。随后， 他就被击落身亡。将其击落的很可能是 VF-42 中队的伦纳德上尉，当时他看到 VF-42 中队长查尔斯 . 鲁道夫 . 芬顿少校正在攻击两架 D3A，他立即离开编队对其中一架进行攻击，这架 D3A 并未进行规避，而是任由他进行攻击，在猛烈的射击下，D3A 的一侧机翼被打掉后坠毁。
不过高桥赫一一开始的报告并没有错，“列克星敦”号在这轮攻击结束后开始回收飞机，但是在其内部受伤部分状况依旧严重。大约在 1047 时，“列克星敦”舱内发生爆炸，这次爆炸的位置在第三甲板升降机的前方，此次爆炸导致航空母舰中部的通信中断，部分设施设备失效。舰内部部分舱室起火，由于这次爆炸波及军医室， 舰上的军医受重伤。同时有大量海水涌入，但飞行甲板没有丧失能力，依然可以接纳飞机降落。“列克星敦”依然还具有起降飞机和正常航行的能力。为避免飞机损失，“列克星敦”号的甲板人员在爆炸发生后冒险为 SBD 加注燃料，随后关闭了供油系统。14 架 SBD 在这次爆炸 12 分钟后起飞，随后在“约克城”号上降落。1119 时， “列克星敦”号发生第二次爆炸，但是还是可以起降飞机。在 1145 时，由该舰早上派出去的 6 架 F4F、23 架 SBD 和 10 架 TBD 全部回收完毕。同时，弗莱彻在 1134 时下令舰队向南撤离，20 多分钟后，TF.17 转向南方。就在他们开始转向后，“约克城”号报告发现有 7 架来历不明的鱼雷机，并向其进行射击，不过很快就判明这些飞机是前去攻击日本舰队后返回的“列克星敦”号上的 VT-2 中队的 TBD。“列克星敦”号将这些飞机于1213 时左右回收完毕，由于下方爆炸的发生， 降落的飞机并没有送回机库，而是停放在甲板上，这些飞机共计有 9 架 F4F、13 架 SBD 和 12 架 TBD，鉴于爆炸发生在舰体中部位置，因此这些飞机被推到飞行甲板后部放置。剩下的“列克星敦”号的飞机则由“约克城”号进行回收，到1345 时，“约克城”号共回收了“列克星敦”号上的 6 架战斗机和 14 架俯冲轰炸机。
猛烈燃烧并已经倾斜的“列克星敦”号
有部分返航的飞机在海上迫降或失踪，其中包括“列克星敦”号航空大队长奥尔特中校，他很可能在攻击“翔鹤”号之后迷失方向，“列克星敦”号接收到他多次通过无线电发出的帮助请求，但是“列克星敦”由于受到攻击后受创而停电， 无法发出无线电联络。在恢复无线电通讯后，“列克星敦”号告知奥尔特他不在雷达屏幕上，建议寻找就近的岛屿附近迫降。而奥尔特则报告他的燃料只能再飞行 20 分钟。1253 时，奥尔特报告最近的岛屿距离他们有 370 公里左右，他们无法飞到那里，随后，奥尔特报告他们投掷的炸弹击中敌方一艘航空母舰，他正驾驶飞机向北飞行， 之后便失去音信。为表彰奥尔特中校在这场海战中的突出表现，美国海军追授其海军十字勋章， 并以其姓氏命名了一艘艾伦 . 萨姆纳级驱逐舰。
发生猛烈爆炸的“列克星敦”号
