整整28架俯冲轰炸机开始对大黄蜂号投弹，猛烈的爆炸接连不断地在航母甲板上发生，一颗炸弹差一点直接炸飞该舰舰长加奇上校，在旁边护卫的轻巡洋舰圣胡安号也遭池鱼之殃，3分钟内连续中了四弹，弹药库被击中后引发大爆炸然后沉没。一架中弹的九九舰爆因飞行员失去控制，直接带弹撞进了大黄蜂号的烟囱并引发剧烈大火。另一架起火的九七舰攻撞上了左舷前部的高平台，不过飞行员在撞击前勉强跳伞成功。
随后，九七舰攻在零战掩护下开始投放鱼雷，日军飞行员的斗志丝毫不逊色于美国飞行员。指挥官村田重治更是经历过珍珠港和中途岛的老将，他指挥九七舰攻们趁美军F4F迎击九九舰爆的空隙从大黄蜂号两侧发起攻击，并同时发射鱼雷。大黄蜂号短时间内被7枚250公斤炸弹和4条鱼雷连续击中，全舰燃起大火并开始向右倾斜。在其侧后方的朱诺号轻巡洋舰替旗舰挡了2条鱼雷，结果迅速沉没，全舰仅10人幸存，阵亡者中包括著名的沙利文五兄弟——从此美国不再让同一家庭成员在一艘军舰上服役。
几分钟后，关卫少佐的第二攻击队到达战场上空，他首先发现了起火燃烧的大黄蜂号，但他判断攻击大黄蜂号编队的飞机数量够多了，而从美军今天对炮击舰队的进攻频率和速度来看，对方一定还有另一艘航母。顺着这个思路，攻击队很快就找到了10海里外的企业号和南达科他号。
迎接第二攻击队的是南达科他号战列舰凶猛的防空炮火，这艘战列舰上装备了上百门40mm博福斯高炮，防空火力如同地狱般恐怖。一架九九舰爆在俯冲前右翼中弹起火，飞行员跳伞没成功，连人带机撞在南达科他号的前甲板上。日军其余飞机继续猛攻，主要火力集中向企业号招呼，南达科他奋力挡枪，先后中了4颗炸弹，中炮塔被炸坏而不能使用。随即九七舰攻们开始投雷，南达科他号连中2雷，不过只进水4000多吨就被控制住了，整体略微倾斜5度，企业号中了一雷，速度降低到只有13节，另一条鱼雷本是冲着企业号去的，他身边的驱逐舰史密斯号奋力阻挡，以自己的沉没替企业号抗下了一雷，
从9:19分开始，企业号2分钟内被五颗炸弹直接命中，一颗炸中了前部升降机之后的飞行甲板，前部升降机因电力中断而卡在一半的高度上，另2颗炸弹击中了右舷，炸出一个直径2米见方的大洞，还有2颗在舰尾爆炸，舰尾操作室被炸开一个破孔，次方向舵也被炸坏。9:27，企业号又接连被3颗炸弹击中，第一颗穿过飞行甲板落在轰炸机弹药舱上，当场引爆了机库。第二颗命中舰首飞行甲板最前端，穿过飞行甲板和船壳落入水中，第三颗则把右侧锚链舱炸开一个破口。此时企业号倾斜已相当厉害，但仍然能灵活的左右机动，避开了其它炸弹。而损管人员抓紧时间抢修，竭力维持其基本的起降能力。
此时，第三攻击队到达战场，面对已起火的两艘航母改变策略，先行发射鱼雷削弱存活军舰。大黄蜂号再次被命中两条鱼雷，挣扎着缓缓沉没，企业号周边布满了挡枪者，重巡洋舰波特兰号连中5雷，再加上前面吃到的2颗炸弹，不到半分钟就宣告沉没，全舰只逃出27人，波特号驱逐舰靠近企业号，挨了2颗航空炸弹，也只能接受沉没的命运，不过他在沉没前还击落了一架九九舰爆。彭萨科拉号重巡洋舰和圣地亚哥号轻巡洋舰前赴后继地上来挡枪，各中3颗炸弹加一条鱼雷，4分钟内沉没。
南达科他不愧为粗又硬，继续吃了1枚鱼雷和2颗炸弹，倾斜趋势进一步加剧，注水后勉强恢复平衡，不过此时已吞下了6000多吨海水，速度也降低到了11节，而企业号的航速只有9节。现在整个TF16\17比较完好的大舰还剩重巡洋舰北安普顿号，只见他加快速度，再次与南达科他一左一右护住企业号，整个TF16\17一共有14条驱逐舰，除已沉没的军舰外，其余包括马汉号、库欣号、普雷斯顿号、莫里号和巴顿号等5条驱逐舰舰在外围，他们不同程度地带着伤，但依然顽强地构建了最后一个圆形防御阵，对抗着空中200多架飞机。
天空中本来有20架护卫战斗机，他们与零式奋力拼杀，最后几架看着势头不对，抓住空挡也如法炮制地用撞击法对付即将投弹或投雷的日本飞机，先后有3架舰爆和2架舰攻坠落海中。十几分钟后，空中就只有日本飞机而没有美国飞机了
机动舰队80%以上的对舰攻击机已投完弹药准备返航了，还有17架舰爆和13架舰攻没有投弹，他们自发地纠集起来，在40多架零战的掩护下（其实掩护与否也无关紧要了）组建了最后一次临时攻击波，对残余美国舰队展开进攻，北安普顿号连中3雷沉没，南达科他号又中2颗炸弹，前后炮塔全部损坏，企业号再中2颗炸弹，不过毕竟是正规大型空母，生命力比飞鹰要强，虽然起降能力彻底丧失，整体倾斜高达15度，但依然还在蹒跚移动，5条驱逐舰被击沉了4条。
到9:48分时，这场海空战终于接近了尾声，曾经威风凛凛的双航母TF16\17编队只剩下了3条惨重伤亡的军舰，最高航速是巴顿号驱逐舰的9节，南达科他只有6节，企业号7节，除了放出去的最后46架进攻机群，整个编队舰载机也近乎完全覆灭了。
就最后46架飞机的使用金凯德征求了哈尔西的意见——去攻击日本航母部队显然不现实，他们只有2个选择，一是回头往新几内亚岛方向飞行，能飞多近飞多近，然后跳伞让人搭救，另一个选择是继续攻击日本炮击舰队，哈尔西痛苦地思考了3分钟，决定把权利下放给带队指挥官。
听说身后的舰队近乎全军覆没，第三攻击波所有飞行员一片沉默，最后一致决定继续进攻日本舰队，死也要死在冲锋的路上，10：27分，炮击舰队迎来最后一波美军进攻，他们近乎用以命搏命的方式在进攻，大和号又吃了2颗炸弹加一条鱼雷，进水量达到4800吨。羽黑号被命中一条鱼雷，长门与陆奥各吃到2颗炸弹，春雨、五月雨驱逐舰被击沉。担任掩护任务的零式战斗机损失23架，再加上战斗结束后油料基本用尽、飞行员只能跳伞的7架，最后担当掩护任务的零式只剩下了35架。而这46架美国飞机也近乎全军覆没，最后脱离现场飞往新几内亚的飞机只剩下14架。
虽然战斗已接近了尾声，但堀悌吉的斗志反而越来越高昂，他已知道了目前TF16\17的情况，也知道还有3条军舰在水面挣扎着，他下达了新的作战指示：“所有情况良好的高速重巡洋舰全速赶往现场搭救落水人员（不论敌我）并尽可能击沉敌舰，主力随后赶到，机动舰队不必再行进攻，战场扫尾工作由炮击舰队完成。”
此时美军舰队竭力撤退，伤痕累累的南达科他表示由驱逐舰保护企业号撤退，自己断后掩护，金凯德深知时间紧迫，也没法继续解释，只能含泪告别南达科他号，带着蹒跚的脚步仓皇撤退。等下午2点钟日本重巡洋舰群赶到现场时只看到受创严重、前甲板近乎于海平面持平、三座炮塔全部失灵的南达科他号了。高雄号打出了让其投降的旗语，却被美国人坚决拒绝。在妙高号的组织下，4条驱逐舰抵近发射威力强大的九三氧气鱼雷，片刻后就把这条排水量高达3.5万吨，服役不过半年的新锐战舰送入海底。
下午3点15分，日本快速战斗群找到了企业号，不过其由于进水太多、损管无力而处于侧倾状态，不等日本军舰动手就缓缓沉入海底，最后留在舰上的是与舰同沉的金凯德少将。由于快速战斗群要打捞落水、失踪人员而放弃了对最后一艘驱逐舰的追逐。巴顿号驱逐舰与上午逃脱的亚特兰大号一起成为美方整场南太平洋大战的幸存者。
1942年11月5日晚，在“军舰进行曲”中东京大本营发出了南太平洋海战战报：“帝国海军于11月5日黎明至下午在所罗门海域与敌有力舰队交战，击沉航母2艘、新锐战列舰2艘、巡洋舰8艘，驱逐舰17艘，敌机200架以上因击坠或其他原因丧失。我方损失轻型航母与老式战列舰各1艘，驱逐舰4艘，巡洋舰2艘与驱逐舰3艘小破，均对战斗航行无妨碍，飞机未归者50多架。”
实际上，日本光航母舰载机群就损失了近50架，海航陆基航空队用于掩护炮击舰队的战斗机损失高达100多架，南太平洋战斗机群被一扫而空……