20 июня в 5.30 адмирал Одзава отправил на разведку 9 гидросамолетов с крейсеров, а в 6.45 – еще 6 гидросамолетов. Один из самолетов второй группы через полчаса после взлета ошибочно сообщил, что видит 2 американских авианосца. Адмирал Одзава все еще собирался следовать намеченному плану, то есть 20 июня заправить свои корабли с танкеров и атаковать американцев 21 июня. Это сообщение насторожило адмирала, и он приказал 3-й дивизии авианосцев отправить на разведку еще 3 торпедоносца. Эти самолеты взлетели в 13.00, а в 17.00 за ними последовали 16 самолетов ударной группы. В 17.15 разведывательные самолеты заметили корабли Оперативного Соединения 58, но ударная группа не сумела найти американцев.

Хотя кораблям Одзавы требовалось топливо, строй Первого мобильного флота рассыпался, и потребовалось много времени, чтобы навести порядок. Приказ начать заправку был отдан только в 12.30. Но прежде чем удалось подать топливные шланги с танкеров, заправка была отменена из-за переполоха, вызванного сообщением о замеченных американских авианосцах. В итоге 20 июня ни один из кораблей Одзавы так и не заправился. Отчасти этот хаос был вызван слабыми средствами связи крейсера, на который перешел адмирал после гибели «Тайхо». С трудностями удалось справиться лишь в 13.00, когда Одзава перешел на «Дзуйкаку» – последний уцелевший эскадренный авианосец из числа атаковавших Пирл-Харбор. Именно там Одзава узнал истинные масштабы поражения в воздушных боях 19 июня. Однако он верил, что 4 авианосца, 1 линкор и 1 большой крейсер американцев «потоплены или повреждены». Более того, в японском отчете о бое говорится: «Нет оснований полагать, что и другие корабли не были повреждены или даже потоплены». У Одзавы оставалось около 100 самолетов на авианосцах, сколько-то самолетов уцелели на Гуаме и Рота. Адмирал твердо намеревался 21 июня дать американцам новый бой.

Но после полудня 20 июня на борт «Дзуйкаку» поступило сообщение одного из крейсеров сопровождения, в котором говорилось, что перехвачено сообщение американских самолетов-разведчиков. Из него стало ясно, что противник все-таки обнаружил Первый мобильный флот. После этого адмирал Одзава немедленно приказал своим кораблям увеличить скорость до 24 узлов.

Японский флот был замечен в 15.40 «Авенджером» авианосца «Энтерпрайз». Его пилот, лейтенант Роберт С. Нельсон, стал первым американским пилотом, который увидел японский флот во время этого боя. В 15.42 сообщение Нельсона было получено на флагмане адмирала Митчера авианосце «Лексингтон». Митчер принял решение очень быстро. Солнце заходит через 3 часа, то есть, если самолеты вылетят для атаки японских кораблей, садиться им придется уже после наступления темноты. Каждая минута колебаний приближала сумерки. Поэтому уже через 10 минут Митчер решил выслать в атаку все самолеты. Он передал по радио приказ Оперативному Соединению 58: «Поднять все, что имеется, возможна посадка в темноте».

Лейтенант Нельсон послал дополнительное сообщение, и в 16.10 американским летчикам было приказано занять места в самолетах. С мостика «Лексингтона» поступил приказ: «Главная задача – уничтожить авианосцы». Авианосцы развернулись против ветра, и самолеты начали разбег. В течение 10 минут 11 авианосцев (все, кроме «Принстона») подняли 216 самолетов – 85 истребителей, 77 пикирующих бомбардировщиков и 54 торпедоносца. Большинство «Авенджеров» вместо торпед несли бомбы – сказывались результаты боя у Мидуэя. На авианосцах начали готовить к взлету вторую ударную волну.

Первой волне предстояло пролететь 220 миль – оптимальная дальность атаки для американских авианосных самолетов. Истребители и пикирующие бомбардировщики были оснащены подвесными баками. Но не успели самолеты первой волны скрыться за горизонтом, как пришло сообщение, что расстояние до неприятеля на 60 миль больше, чем сообщалось ранее. Американские авианосцы, двигаясь на восток против ветра, еще больше увеличили его. Теперь до японских авианосцев было около 300 миль, что было равно предельной дальности полета американских самолетов. Перед адмиралом Митчером встала дилемма: отозвать самолеты или заставить их действовать на пределе дальности полета. Митчер совещался со своими пилотами чаще, чем любой из американских адмиралов. Он любил своих подчиненных, и они отвечали ему тем же. Митчер приказал продолжать полет, но отменил вылет второй волны.

В 18.40, незадолго до захода солнца, американские самолеты заметили японские корабли. Сначала они прошли над группой танкеров – 6 танкеров и 6 эсминцев. В 35 милях к западу двигалась 3-я дивизия авианосцев с мощным прикрытием из линкоров, крейсеров и эсминцев. Чуть севернее нее шла 2-я дивизия авианосцев, но уже с меньшим прикрытием. А в 15 милях от нее двигался последний корабль 1-й дивизии авианосцев – «Дзуйкаку».

Когда появились американцы, 3-я дивизия принимала взлетевшие ранее самолеты. «Хеллкэты» набросились на японские самолеты и сбили 7 из 16 машин ударной группы. Японские авианосцы во время атаки сумели поднять в воздух 75 самолетов, в основном «Зеро». Это были лучшие японские пилоты, которые сумели уцелеть во вчерашнем бою, но их было слишком мало, чтобы остановить американцев. Воздушная атака кораблей Первого мобильного флота продолжалась около 20 минут.

Первой под удар попала группа танкеров. Один из них был тяжело поврежден 3 близкими разрывами, которые вывели из строя машины и вызвали течи. Команде пришлось оставить корабль, и он был потоплен артогнем эсминца сопровождения. Второй танкер получил попадание по крайней мере 1 бомбы и загорелся. Команда покинула корабль, и он тоже был добит своими эсминцами. Третий танкер получил прямое попадание бомбы, еще 2 взорвались рядом с ним. Но повреждения оказались невелики, и танкер сумел спастись.

Затем американские самолеты атаковали 2-ю дивизию авианосцев («Хиё», «Дзуньё», «Рюхо»), которую прикрывали 1 линкор, 1 тяжелый крейсер и 8 эсминцев. Несколько торпедоносцев бросились на «Хиё». Пилот одного из «Авенджеров» лейтенант Джордж Б. Браун перед вылетом заявил, что попадет в авианосец любой ценой. Его самолет попал под огонь зенитных орудий, часть левого крыла была оторвана, начался пожар. Радист и стрелок выпрыгнули с парашютами. Браун продолжал атаку в одиночку. Огонь погас сам, и лейтенант сбросил торпеду, которая вероятно попала в «Хиё». Но подбитый «Авенджер» и раненный пилот пропали во время обратного полета. Всего американские торпедоносцы попали в «Хиё» 2 торпедами. Авианосец вспыхнул и начал тонуть. (Японцы утверждали, что вторая торпеда была выпущена подводной лодкой, но поблизости не было ни одной американской лодки. Все торпеды, без сомнения, принадлежали «Авенджерам».)

Авианосец «Дзуньё» получил 2 бомбовых попадания в район трубы. 6 бомб разорвались рядом с кораблем. Полученные повреждения помешали авианосцу проводить полеты, но не остановили его.

Третий авианосец этой группы – «Рюхо» – был слегка поврежден близкими разрывами. Многие «Авенджеры», атаковавшие его, несли бомбы, но лучше бы они были вооружены торпедами.

В атаку на «Дзуйкаку» – самый крупный из авианосцев – устремилось множество американских самолетов. Флагман Одзавы прикрывали 2 крейсера и 8 эсминцев. Большинство «Авенджеров», атаковавших этот авианосец, тоже были вооружены бомбами. «Дзуйкаку» получил 1 прямое попадание, 5 или 6 бомб взорвались поблизости. В ангаре авианосца вспыхнуло множество пожаров. Казалось, его уже ничто не спасет. Уже был отдан приказ команде покинуть корабль, но прежде чем большая часть команды успела этот приказ исполнить, пришло сообщение, что аварийная партия почти справилась с огнем. Приказ был отменен, и вскоре пожары удалось взять под контроль.

Самая большая группа японских кораблей собралась вокруг 3-й дивизии авианосцев («Титосэ», «Тиёда», «Дзуйхо»). Их сопровождали 4 линкора, 8 крейсеров и 11 эсминцев. Поэтому американцы почти не атаковали эти авианосцы. Лишь «Тиёда» получил 1 попадание бомбой в кормовую часть полетной палубы, но повреждения были не опасными. Небольшие повреждения получили также 1 линкор и 1 крейсер.