航母编队，计有航母两艘（“隼鹰”号和“飞鹰”号）、驱逐舰4艘、舰载机98架；
战列舰编队，计有战列舰两艘、重巡洋舰4艘、轻巡洋舰1艘、驱逐舰
12艘。
二是机动部队，由南云忠一中将指挥，下辖：
航母编队，计有航母3艘（“翔鹤”号、“瑞鹤”号和“瑞凤”号）、重巡洋舰1艘、驱逐舰8艘、舰载机171架；
战列舰编队，计有战列舰两艘、重巡洋舰3艘、轻巡洋舰1艘、驱逐舰7艘。
这支日本部队共有航母5艘，战列舰4艘，重巡洋舰4艘，轻巡洋舰两艘，驱逐舰31艘，舰载机269架。山本五十六指定近藤统一指挥。
10月22日，“飞鹰”号航母因主机故障，由两艘驱逐舰保护返回了基地。至24日，日军舰队一直在所罗门群岛以北海域活动，等待战机。由于陆军在瓜岛的作战一再推延，山本五十六向百武晴吉发电催促，如不迅速占领机场，舰队将因燃料耗尽而不得不返回。
但事实上，日本陆军在24日、25日的进攻都告失败。山本决定海军将不管瓜岛上的战斗结局如何，仍与美军舰队进行决战。10月24日，日军舰队进行海上加油后，连夜南下。
此时，美军在南太平洋地区的海军兵力共有3个编队，其编制如下：
第16特混编队：由金凯德少将指挥，编有航母1艘（“企业”号），战列舰1艘，巡洋舰两艘，驱逐舰8艘，舰载机82架；
第17特混编队：由莫雷尔少将指挥，编有航母1艘（“大黄蜂”号），巡洋舰4艘，驱逐舰6艘，舰载机87架；
第64特混编队：由李少将指挥，编有战列舰1艘，巡洋舰3艘，驱逐舰6艘。
10月20日，美军第16和第17特混编队先后出海。
23日，美军的巡逻飞机在圣埃斯皮里图岛以北650海里处发现日军航母编队。当晚，圣埃斯皮里图岛的岸基航空兵就派出数架水上飞机携带鱼雷前去攻击。前去攻击的美军飞机没有找到日军航母，就攻击了日军的“筑摩”号巡洋舰，但他们没有取得战果。
10月24日10时许，美军第16和第17特混编队在圣埃斯皮里图岛东北270海里会合，哈尔西指定金凯德来统一指挥这支已经会合的特混编队。哈尔西命令金凯德率部队前往圣克鲁斯群岛以北，以阻截驶向瓜岛的日军舰队，而第64特混编队则前往瓜岛海域，阻止日军对瓜岛的增援和对美军机场的炮击。
日军机动部队司令南云忠一认为美军在图拉吉岛和圣克鲁斯群岛都部署有航程较大的水上飞机，只要进入距这些岛屿650海里范围里，就可能被发现。于是，南云忠一为了不重蹈中途岛战役的覆辙，决定尽量隐蔽自己的部队，几天来，他们只要被美军发现就向北方撤退。
山本五十六对南云忠一的这种过分谨慎极为不满，山本命令他不顾天气和敌情，坚决投入战斗。可是，当日军的“筑摩”号遭到美军水上飞机攻击后，南云仍选择了再次率部队北撤。山本得知后，马上来电督促他前进，这样一来，南云忠一就不得不掉头南下了。
25日，美日双方舰队的距离在迅速缩小，但都不知道对方的具体位置，为此都派出飞机全力搜索。5时许，哈尔西向金凯德发出了著名的命令：“进攻！进攻！再进攻！”
25日10时，美军的一架水上飞机在航母特混编队西北360海里处发现日军的两艘航母，但因为雨大云厚，很快便失去了与日舰接触的机会。11时30分，金凯德命令“企业”号派出12架飞机前去侦察，在12时20分，他又加派29架飞机前去攻击。
日军被发现后就转向北撤退，所以美军的这两批飞机都未找到目标。后来，美军飞机在返回母舰时天色已黑，其中一架在着舰时坠毁，另有6架因燃料耗尽在海上迫降。
16时，日军机动部队转向南进，19时，前进部队也转向南进。山本五十六随即发出指示：“陆军计划于今夜攻占机场，敌军舰队明日在瓜岛海域出现的可能性极大，联合舰队务必将其歼灭。”这时日军联合舰队的准备是：机动部队的战列舰编队在前，航母编队则在其后面50海里；前进部队位于机动部队的西北100海里，其战列舰编队在东，航母编队在西，这4个编队都相距不远，彼此都能看到，以便协同，一起向南搜索前进。
10月26日2时，日军机动部队派出13架飞机分扇区进行搜索。3时许，金凯德命令“企业”号航母出动16架侦察轰炸机，以两机为一组，分扇区搜索，每机都携带一枚227公斤炸弹，一旦发现目标就可立即实施攻击。
美军的一个双机组在距“企业”号85海里处遇到了日军的一架侦察机，由于双方都急于寻找对方的舰队，所以他们便互不理睬、擦肩而过。4时17分，美军的这个双机组发现了日军机动部队的战列舰编队，并继续向北搜寻日军的航母编队。
4时50分，日军的那架侦察机发现了美军舰队，并立即发回报告。可惜侦查机的飞行员把自己的编号报错了，使得所报的方位有误，也就令航空母舰无法马上派出飞机。
5时许，美军的另一个双机组发现了日军机动部队的“瑞凤”号航母，日军立即起飞9架战斗机给以拦截，同时“瑞凤”号一面施放烟幕，一面规避。
美军飞机躲入云层，巧妙的避开了日机的拦截，然后突然从云中俯冲而下，向“瑞凤”号投下了炸弹。一枚炸弹命中，将日军航母的飞行甲板炸开了一个直径为15米的大洞，使其无法再回收飞机，舰长只好起飞剩下的所有飞机，然后在2艘驱逐舰的保护下向北撤退。
在美机攻击“瑞凤”号之前，南云忠一就得到了美军舰队正确位置的报告，遂于5时25分起飞了21架轰炸机、20架鱼雷机和21架战斗机。于是，一共62架飞机开始向美舰飞去。
5时30分，金凯德接到发现日军报告后，命令“大黄蜂”号出动第一攻击波。这一攻击波包括15架轰炸机、6架鱼雷机和8架战斗机，一共是29架飞机。
6时，“企业”号出动第二攻击波，包括3架轰炸机、8架鱼雷机和8架战斗机，共19架飞机。
6时15分，“大黄蜂”号起飞第三攻击波，包括9架轰炸机、9架鱼雷机和7架战斗机，共25架飞机。
以上美军飞机先后向日军飞去。
日美双方的攻击机群正巧在途中相遇，起初双方互不理会。突然，12架日军战斗机出列，迅速抢占有利高度，冲向美军第二攻击波的飞机，随即爆发了空战。这次交锋后，美军损失鱼雷机、战斗机各3架，日机则损失4架。
6时40分，美舰雷达发现一批飞机正在逼近，但和己方的出击机群航向一致，一时分不清敌我。等到他们可以辨清敌我的时候，日机离母舰已不到50海里，“企业”号航母迅速躲入附近的雷雨区，未被日机发现。而在晴朗阳光下的“大黄蜂”号航母则成为日机集中攻击的目标。
尽管美军在空中有38架战斗机掩护，但由于“大黄蜂”号航母的战斗机引导官缺乏经验，将战斗机部署离母舰太近，还来不及上升到一定高度，日机就已经临空了。
7时10分，日军轰炸机首先先开始俯冲，一枚炸弹击中了“大黄蜂”号航母，这枚炸弹在这艘航母的飞行甲板后部爆炸。有一架日军轰炸机被防空火力击伤后，一头撞在飞行甲板上，机上所携的两枚炸弹一起爆炸。
随后，日军的鱼雷机开始攻击，有两条鱼雷击中“大黄蜂”号航母的机舱。接着，“大黄蜂”号又被3枚炸弹击中，还有一架起火的日机撞在舰上，使此艘航母的伤势更为严重。随着“大黄蜂”号航母机舱进水、电力中断，它的通讯断绝，舰体四处起火，舰身也开始倾斜，不久便失去机动能力。
日机离去后，“大黄蜂”号航母的舰员迅速扑灭了大火，最后，它被美军“诺思安普敦”号巡洋舰拖曳着返航。
就在日机攻击“大黄蜂”号的时候，美机也对日军发起了攻击。7时30分，美军第一攻击波的15架轰炸机到达日军舰队上空，尽管遭到了日军战斗机的拦截，被击落、击伤各两架，但其余飞机突破成功，并向南云忠一的旗舰“瑞鹤”号俯冲投弹。
“瑞鹤”号一边以全部防空火力对空射击，一边竭力规避。美机以200米高度从其舰首方向进入，并且投弹命中率较高。“瑞鹤”号连中4弹，飞行甲板、机库和炮塔都被炸的着起了大火。“瑞鹤”号通讯中断，南云只得将指挥部转移到日军的“岚”号驱逐舰上。
因为美军第一攻击波中的6架鱼雷机与这15架轰炸机失去了联系，所以未能找到日军的航母，就攻击了日军的“铃谷”号巡洋舰，但是没有击中。
美军的第二攻击波因为途中遭遇日军的攻击机群，并与之进行了空战，所以他们的队形被打乱，便分为两队。其中一队的3架轰炸机攻击了日军“雾岛”号战列舰，另一队的4架鱼雷机攻击了“筑摩”号巡洋舰，但都没有命中。
美军第三攻击波也没找到日军航母，他们攻击了日军机动部队的战列舰编队后就返航了。
4.“圣克鲁斯群岛海战”的尾声
6时45分，日军第二攻击波的飞机起飞了。
“翔鹤”号出动19架轰炸机和5架战斗机，“瑞鹤”号出动了16架鱼雷机和4架战斗机。他们于8时许飞临美军舰队上空，见“大黄蜂”号已经烈焰冲天，浓烟滚滚，就转而攻击“企业”号。
美军的“企业”号航母和“南达科他”号战列舰都装备了大量4联装40毫米机关炮，而且他们使用新式的近炸引信炮弹，这种炮弹对飞机具有极大的杀伤力。美军的防空火力很强，“翔鹤”号的机群首先发起攻击，他们在俯冲时就被击落一大半，只有两弹命中“企业”号，一发打中了“企业”号的飞行甲板，另一发击中了它的机库。此外，这批日军飞机还将“史密斯”号驱逐舰击伤。
随后，“瑞鹤”号的鱼雷机群投入攻击，但他们在攻击前就被美军的战斗机和防空炮火击落了7架，余下的9架从左右两侧对“企业”号实施鱼雷夹击，也都被“企业”号避开。就在日机攻击时，日军“伊-21”号潜艇乘火打劫，将“波特”号驱逐舰击沉。