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.