Американские самолеты вернулись на свои авианосцы в 13.38. В ходе атаки были потеряны 3 самолета, но, по американским оценкам, были сбиты и 9 истребителей «Сёхо». Вернувшиеся самолеты сразу были заправлены и перевооружены, но адмирал Флетчер решил не посылать их в атаку против сопровождавших «Сёхо» крейсеров, так как «Сёкаку» и «Дзуйкаку» все еще не были обнаружены.

После того как «Сёкаку» и «Дзуйкаку» приняли самолеты, потопившие «Неошо» и «Симс», адмирал Такаги решил выслать вечернюю разведку на поиски американских авианосцев. В 16.30 с двух японских авианосцев взлетели 12 пикировщиков и 15 торпедоносцев. Плохая погода помешала японским пилотам обнаружить корабли союзников. Когда топливо начало подходить к концу, они сбросили свои бомбы и торпеды и повернули назад свои на авианосцы. На обратном пути японцы были перехвачены «Уайлдкэтами» «Лексингтона» и «Йорктауна». В последовавшем воздушном бою были сбиты 8 торпедоносцев «Кейт», 1 пикировщик «Вэл» и 2 американских истребителя. Схватка закончилась в 19.00, уже после захода солнца. Часть японских самолетов, пролетая в темноте над «Йорктауном», приняла по ошибке его за собственный авианосец. Просигналив бортовыми огнями и получив «ответ» с авианосца, они выпустили шасси и тормозные крюки и приготовились к посадке. Уже зашедший на посадку пилот головного самолета в самый последний момент обнаружил свою ошибку, дал полный газ и взмыл вверх, прорвавшись сквозь стену заградительного огня. Едва не совершив фантастическую посадку на вражеский авианосец, потрясенные японские пилоты полетели дальше. Контр-адмирал Тюити Хара приказал своим кораблям включить все огни, чтобы помочь самолетам сесть, однако еще 11 машин упали в море. Вечерний вылет обошелся японцам в 20 самолетов. Приняв 7 уцелевших самолетов, японские авианосцы повернули на север, чтобы удержать расстояние 40 – 60 миль до противника. Но в это же время адмирал Флетчер повернул на юг.

Утром 8 мая американское и японское авианосные соединения находились в Коралловом море, полностью готовые к бою. Американцы имели больше самолетов. Оба адмирала бросили в схватку лучшие самолеты и лучших пилотов. На японских авианосцах не было радара, который имели «Лексингтон» и «Йорктаун», однако «Сёкаку» и «Дзуйкаку» постоянно действовали вместе с конца 1941 года, тогда как американские авианосцы провели только одну совместную операцию – короткий рейд против Лаэ и Саламауа. Адмирал Флетчер впервые в жизни командовал соединением из 2 авианосцев.

8 мая адмирал Такаги поднял разведывательные самолеты еще до рассвета. Через час, примерно в 7.00, он начал поднимать ударную группу из 18 истребителей, 33 пикировщиков и 18 торпедоносцев. Через несколько минут после того, как эти самолеты завершили взлет, один из разведчиков сообщил, что видит американские авианосцы в 200 милях к югу от японского соединения. В сообщении говорилось, что противник имеет 2 авианосца и 10 других кораблей. Это донесение было передано ударной группе.

Обнаружив американские корабли, «Кейт» продолжал поддерживать контакт с ними и навел на них ударную группу. Но, сделав это, пилот торпедоносца израсходовал топливо, которое было ему нужно, чтобы вернуться на авианосец.

Радар «Лексингтона» обнаружил японские самолеты в 10.55, когда они находились в 70 милях от авианосца. Его собственные самолеты и самолеты «Йорктауна» улетели, чтобы атаковать японские авианосцы, еще раньше, до того как были замечены вражеские самолеты.

Воздушный патруль из 8 «Уайлдкэтов» собирался садиться на авианосцы, так как у него кончалось топливо. Ему на смену взлетели еще 9 «Уайлдкэтов». Находившимся в воздухе 8 истребителям было приказано держаться как можно ближе к авианосцам из-за нехватки топлива. Оставшиеся 9 истребителей не смогли удержать атакующих. В воздухе также находились 23 «Доунтлесса». Они попытались остановить относительно тихоходные японские торпедоносцы. Однако сами SBD были слишком тихоходны и слабо вооружены, чтобы играть роль перехватчиков. 4 американских пикирующих бомбардировщика были сбиты, хотя они сумели уничтожить такое же число «Кейтов».

69 японских самолетов атаковали оба авианосца в условиях отличной видимости. Маневрируя на большой скорости, авианосцы разделились. На 2 отдельные группы разделились и корабли сопровождения. Это не было предусмотрено никаким планом и привело к роковым последствиям.

Торпедоносцы атаковали огромный «Лексингтон» с обоих бортов. Один самолет разлетелся на куски, получив прямое попадание зенитного снаряда, но остальные сбросили торпеды. Практически одновременно на корабль устремились 11 торпед. Несмотря на искусный маневр уклонения, предпринятый капитаном 1 ранга Фредериком Шерманом, авианосец (длина 888 футов) был слишком велик, чтобы увернуться от всех торпед. В 11.20 первая торпеда попала в носовую часть левого борта, а через минуту еще одна торпеда попала в этот же борт напротив мостика. В корабль также попали 5 бомб, однако они нанесли относительно небольшие повреждения. Одна мелкая бомба взорвалась в небольшом складе боеприпасов на главной палубе, другая попала в огромную трубу авианосца. Близкими разрывами была повреждена подводная часть корпуса. В самый разгар боя неожиданно взревела корабельная сирена, поврежденная осколком, но вскоре кто-то перекрыл ей пар. Через 9 минут атака на «Лексингтон» закончилась.

Японские самолеты уделили некоторое внимание и «Йорктауну». В 11.38 в этот авианосец были сброшены 8 торпед, однако «Йорктаун» был меньше «Лексингтона» и гораздо маневреннее. Маневрируя на скорости 30 узлов, он уклонился от всех торпед. В 11.27 «Йорктаун» получил первое и единственное попадание. 800-фн бомба попала в полетную палубу в 15 футах от острова, пробила 4 палубы и взорвалась. Взрывом были убиты 37 человек, многие моряки получили ранения, в основном ожоги. Возникшие пожары были быстро взяты под контроль. Еще 2 бомбы взорвались рядом с авианосцем, причинив небольшие повреждения.

Когда японские самолеты улетели на свои авианосцы, «Лексингтон» имел крен 7º. 3 из 16 котельных отделения были затоплены, на палубах бушевали пожары, а 2 элеватора были заклинены, к счастью в верхнем положении. В течение часа пожары были потушены, крен выровнен, и полеты возобновились, когда корабль сумел дать 25 узлов. Механики сообщили Шерману, что если понадобится полный ход, они его дадут.

Внезапно в 12.47 страшный внутренний взрыв потряс «Лексингтон». Во время атаки были повреждены цистерны с авиабензином. Бензин начал испаряться, и теперь его пары воспламенились. Взрыв следовал за взрывом, и каждый следующий казался сильнее предыдущего. Электропроводка и телефонные провода были разорваны в клочья, пламя взвилось над кораблем. Водяные магистрали в районе пожара были разрушены, и пожарные команды оказались бессильны что-либо сделать. Температура в носовом машинном отделении быстро росла и наконец достигла 160º F. Несмотря на все это, «Лексингтон» продолжал принимать самолеты до 14.14. В 14.25 очередной сильнейший взрыв повредил систему вентиляции машинных отделений. К борту авианосца подошел эсминец, чтобы помочь в борьбе с пожарами, но все его усилия тоже были бесполезны. В 16.30 пришлось эвакуировать людей из машинных отделений, и «Лексингтон» остановился. В 17.07 был отдан приказ покинуть корабль. Эвакуация 2735 офицеров и матросов прошла организованно. Некоторые матросы выстроились шеренгой на полетной палубе, перед тем как покинуть авианосец. Другие просто сидели на палубе и ели мороженое. Подошли 3 эсминца, чтобы подобрать экипаж «Лексингтона». При эвакуации не погиб ни один человек, была спасена даже любимая собака Шермана. Около 18.00, после тщательного осмотра корабля, чтобы удостовериться, что не забыт ни один раненый, капитан 1 ранга Шерман последним покинул авианосец. Адмирал Фитч, который держал флаг на «Лексингтоне», перешел на крейсер. После этого в 18.53 адмирал Флетчер приказал эсминцам добить пылающего гиганта. В «Лексингтон» были выпущены 5 торпед, 4 из них взорвались, и через час объятый пламенем авианосец ушел на дно, унося с собой тела 216 членов экипажа.