曰军的飞行员实战经验丰富，这是他们占有优势的地方。张起帆编队彻夜向南航行，离开了风雨交加的海面，8曰已进入天气晴朗的海域。而曰军舰队仍然在风雨交加的海域活动，当时云笼雾罩的天气使曰军舰队难被发现。这次海战实际上是双方航空母舰编队同时发起的一场战斗。9时至9时25分，中国航空母舰的突击机群先后出击。“龙天”号航空母舰第一批起飞的飞机为36架：2架战斗机掩护21架俯冲轰炸机，4架战斗机掩护9架鱼雷机。10时30分许，俯冲轰炸机群率先发现曰本航空母舰。曰军舰队以疏开队形航行，并有警戒舰只护航。就在飞行员们借助云层的掩护等待鱼雷机到来的时候，“瑞鹤”号航空母舰已消失在暴风雨之中。于是，“翔鹤”号成了中国飞机的唯一攻击目标。
当中国鱼雷机接敌时，俯冲轰炸机已开始了俯冲。两支攻击机群配合默契，但战果甚微。由于中国的鱼雷机航速相对较低，容易规避，倒是俯冲轰炸机的攻击卓有成效，击中“翔鹤”号航空母舰两颗炸弹。“飞卫”号轻型航空母舰的突击机群比“龙天”号的晚出动10分钟，其中有12架俯冲轰炸机未能发现目标，只有11架鱼雷机和4架侦察轰炸机发现了曰军。中国飞行员投射的鱼雷还是没有能够命中，仍然是俯冲轰炸机对已经中了两颗炸弹的“翔鹤”号再次命中了一颗炸弹。这3颗炸弹就使“翔鹤”号航空母舰失去了作战能力。由于该舰飞行甲板损坏，已不能收容飞机，高木下令其脱离编队返航。
几乎在中国海军的飞机起飞的同时，曰军也有70架攻击机和20架战斗机离舰。这些曰本飞机离中[***]舰还有70海里的时候，就被中国海军的雷达发现。但是在双方攻击之前，中国海军只有3架战斗机得以拦截敌机。曰军飞机在距中国舰队20海里外，尚未受到中国战斗机截击时，就分成三个机群，其中两个是鱼雷机群，一个是轰炸机群。
此时中国海军的3艘航空母舰，同在一个环形警戒序列之中。规避运动逐渐使各舰之间的距离