时又出动第二攻击波，计轰炸机27架，战斗机9架，直扑帝国军航母编队。

与此同时，倭军先后有两架侦察机飞临帝国军航母编队，虽被帝国军击落，但王鼎臣认为倭机在被击落前一定已经发出了报告，自己的位置肯定已经暴露。

他下令做好防空战斗准备，增加了在空中巡逻和甲板待命的战斗机数量，并将队形变为防空队形。

为分散倭军的攻击力量，两个编队拉开了十余海里的距离，考虑到"天机"号距敌较近，王鼎臣命令"天机"号负责统一指挥两艘航母的战斗机。

几分钟后，"天机"号雷达发现88海里外有一批倭机飞来，王鼎臣立即命令两艘航母上的13架轰炸机和12架鱼雷机全

。部起飞，前去攻击倭军航母。

甲板待命的战斗机也全部升空，这样空中警戒的战斗机已增加到53架。

16点25分，空中警戒的战斗机报告发现倭机。"天机"号的战斗机引导员本来计划在倭机展开前进行拦截，但由于空中飞机数量很多，航母与飞机，飞机与飞机之间通讯频繁，导致通讯阻塞，引导截击的命令无法及时发出。

16点59分，倭军机群到达距"天机"号30海里处，分为几队展开，这就使帝国军舰雷达显示屏上图象混杂，战斗机引导员分不清敌我，无法指挥拦截。

倭军战斗机充分发挥主动精神，在距"天机"号25海里处上前拦截，双方发生了激烈空战，倭机被击落6架。

16点40分倭机开始对"天机"号实施俯冲轰炸，当时第航母编队已排成防空环形队形，"天机"号位于中央，周围有9艘军舰环护，以猛烈高射炮火进行拦阻射击。

"天机"号还不时以大舵角急转弯规避攻击。

由于倭军飞行员的素质比渤海海战时下降很多，加上帝国军炮火猛烈，倭军鱼雷机在占领攻击阵位前就被全部击落。

轰炸机也只有少数几架突破投弹，"天机"号被命中3枚250公斤炸弹，炸毁升降机两座，引发大火，炸死72人，船舷漏水，舰体横倾，所幸伤势不重。

倭机离去后，"天机"号进行了紧急抢修，仅用一小时就扑灭了大火，恢复平衡，航速达到24节，能够接受飞机着舰。

倭军主力群的第二攻击波一直飞到距“天枢”号50海里处也没有发现帝国舰队，因燃油消耗过半，只得返回。

在倭机来袭前起飞的"天机"号的11架轰炸机和7架鱼雷机也没有找到倭军主力群。

而同时起飞的"天枢"号的2架轰炸机和5架鱼雷机却意外发现了倭军的先遣舰队，随即发动攻击，击伤了其水上飞机母舰。

王鼎臣接收了出击的飞机后，天色已黑，为避免夜战，率领舰队向南撤退。

倭军先遣群遭到攻击后，高速向南追击，还派出水上飞机前去搜索，只发现1艘正在援救落水飞行员的帝国军驱逐舰，再没其他发现。

当晚二十四时，山本大将下令撤出战斗，先遣舰队、主力舰队即以28节北撤。

倭军只顾寻找帝国军航母决战，却忘了保护增援舰队，增援舰队13日被帝国军发现后，果断向西北退避，这才避免遭到攻击。

在附近海域附近逗留了一整天后，24日十二时再掉头南下。

这场海战帝国军没能打掉倭军的"翔鹤"号航母，但是消灭了倭军大量富有经验的飞行员，击沉了倭军一艘水上飞机母舰和大量其他舰船，而帝国军损失微小。

此战之后，倭军在海上陷入劣势，再也无法压制帝国海军，也因此，在接下来的陆地上的决战中，倭国海军未能提供任何帮助

。