瓜岛上的激战正在进行时，日美双方两支航空母舰群也都同时出击。
两支舰队相距不到200海里，展开一场规模巨大的捉迷藏游戏，双方人员都弄不清他们应该攻击哪支舰队，敌舰队现在何方，只能派出侦察机在海上侦察。这时，瓜岛争夺战的重点转移到了海上。
1942年10月24日拂晓，日本“零式”战斗机24架、轰炸机9架去瓜岛攻击美军基地，在返航途中大部被美军击落。与此同时，日本一艘轻航空母舰被鱼雷击中。
中午，日本南云指挥的第二行动队的航空母舰“瑞鹤号”和“翔鹤号”，由4艘重巡洋舰、8艘驱逐舰护卫来到这个海域时，发现美机动部队，日军立即出动第一次攻击队37架飞机，遭到美战斗机和对空炮火的迎击，仅有13架安全回舰。
第二次攻击队26架飞机于下午14时离舰，直至傍晚都没有发现美舰。
此时，已经在海上巡航了两个星期的日联合舰队非常焦急。山本生怕美太平洋舰队突然出现，使联合舰队措手不及，遂于25日晚向南云下令：
鉴于百武中将于夜间再次向瓜岛机场攻击，美舰队很可能在所罗门群岛东北海域出现，联合舰队应于26日设法将其消灭。
他严令：无论天气和美军飞机活动的情况如何，日机应该继续侦察和追踪，务必查明美舰的数量和类型。
舰尾部拖着熊熊烈火摇摇晃晃地撤出了战斗。
南云站在重型航空母舰“翔鹤号”的舰桥上，冷静地看着“瑞凤号”撤离。
他已经收到侦察机发回的报告，他们终于找到已搜索了整整5天的美国特混舰队：“方向东南，距离200海里，发现美航空母舰1艘和其他类型军舰5艘。”
接到报告，他马上命令65架飞机出击。这些出击的飞机直奔攻击目标，并没有发现来自“大黄蜂号”的52架飞机正向北飞来，准备去攻击他们的航空母舰舰队。
8时59分，日本轰炸机从5100米的高空俯冲下来，“企业号”一看来者不善，急忙躲入一片雷雨区，而暴露在开阔海面上的“大黄蜂号”却成了日本俯冲轰炸机和鱼雷机的主攻目标。
一名日本飞行员驾驶着飞机，以“神风突击队”的自杀性俯冲，笔直地朝“大黄蜂号”的飞行甲板撞来，机上所带的两枚炸弹在飞机撞到甲板的瞬间一起炸响，舰面上爆发出一团直冲云霄的巨大火焰。
稍后，日本鱼雷机又从舰后追随而来，两枚鱼雷命中了机舱部位。接着，另有3枚炸弹穿透前甲板，卡住升降机，并在舰舱内部爆炸。10分钟的攻击就使“大黄蜂号”变成了一座燃烧的地狱，滚滚浓烟冲天而起，爆炸声此起彼伏。
与此同时，由“大黄蜂号”起飞的第一批攻击飞机也使南云的“翔鹤号”面临着生死考验。“无畏式”俯冲轰炸机一架接着一架穿过密集的高射炮火，向该舰俯冲，4枚炸弹命中了“翔鹤号”，飞行甲板被炸开了4个大口子，弹着点附近的炮手被炸得血肉横飞，几架着火的飞机被炽热的气浪掀入大海。
仅仅几分钟，“翔鹤号”从船头到船尾都被吞没在熊熊烈火之中。南云不得不下令将他的司令旗移到一艘巡洋舰上去。不过，南云还有资本，因为他已在一小时前派出了第二攻击波。
刚过10时，“南达科他号”突然从雷达上收到警报，日军的第二次攻击正从西北方50公里处逼近。当日机就要进入攻击位置时，一声令下，美警戒舰上一切能够对空射击的武器全部开火，“南达科他号”新装的100多门4联装的40毫米炮大显神威，“企业号”的防空火炮也频频射击。
日军24架俯冲轰炸机冒着密集的弹雨，发出尖厉的呼啸，连续不断地向“企业号”俯冲，只见一枚枚炸弹从空中扶摇直下，“企业号”像一头发疯的野兽左躲右闪，飞行甲板大幅度倾斜，舰体剧烈震动，地勤人员都趴倒在甲板上，个个晕头转向。
然而，仍有两枚炸弹直接命中“企业号”，一枚落在舰首升降机的后部，另有一枚炸弹斜落在舰首左舷。
但是，这艘庞大的军舰仍然有足够的动力，躲避着不断袭来的炸弹和鱼雷，先后躲过了9枚鱼雷的攻击。
11时01分，“南达科他号”的雷达再次发现日攻击机群。这第三攻击波的飞机是从“隼鹰号”上起飞的，共有29架。
美军密集而凶狠的防空炮火使日机根本无法靠近，不仅击落了8架日机，剩下的飞机也被打乱了攻击节奏，它们投下的鱼雷无一命中目标，“企业号”再次死里逃生。但“南达科他号”的前炮塔被击中，巡洋舰“圣胡安号”的尾舵中弹受伤。
“企业号”实在难以忍受如此残酷疯狂的连续攻击，在回收了盘旋在空中、油料即将耗尽的飞机后，便夺路而逃，退出了战斗。
但是，南云不想让美国军舰跑掉。他一面让受伤的“瑞凤号”、“翔鹤号”向北退出战斗，一面命令幸存下来的“隼鹰号”、“瑞鹤号”继续南下，追击美舰。
下午13时刚过，第四攻击波出发。从“瑞鹤号”上起飞的飞机发现了正被拖着行驶的“大黄蜂号”。倒霉的“大黄蜂号”又被日本鱼雷击中，舰长只得下令弃舰。
随后赶来的“隼鹰号”的飞机，对其进行了最后一次攻击。“大黄蜂号”气数已尽，为了不让日军俘走这艘因运载杜立特空袭东京而名扬四海的航空母舰，美驱逐舰向这艘弃舰发射了16枚鱼雷。当随后赶来的日舰找到它时，它已经成了漂浮在海上的一堆废铁。为了泄恨，日舰对“大黄蜂号”再次补射了4枚鱼雷。
此次圣克鲁斯大海战，是太平洋战争开始以来日本联合舰队同美太平洋舰队之间的第四次大规模的决战。
决战结果，山本五十六在战术上略胜一筹，击沉击伤美航空母舰各1艘，击沉美驱逐舰2艘，击伤美巡洋舰、战列舰和驱逐舰各1艘。但是，山本五十六为此也付出了过于高昂的代价，2艘航空母舰遭到重创，再已无法参战。更为严重的是，与美军只损失74架飞机相比，日军却损失了100多架，特别是那些训练有素、实战经验丰富的飞行员已大部分命丧大海，再也无法替补。盛怒之下的山本对南云彻底失望，遂将其解职。
日本联合舰队已是强弩之末。由于日美的工业潜力和补给潜力的差距，山本五十六最不愿意看到的情况出现了：不管日本飞机制造厂和造船厂的工人怎么日夜加班，要超过美国那庞大的工业生产能力是不可能的。联合舰队的那些受过严格训练的飞行员也越来越少。与美国强大的补给力相比，日本只是徒然在消耗自己的装备和人员。