尼米兹上将在看完罗彻斯特送来的情报后，推测断定，日军的这次调动，其目的在于增援重夺瓜岛的部队，遂命令已经补充完战机和燃料由斯普鲁恩斯中将率领的第16特混舰队，担任对所罗门群岛海上交通线的保护任务，保护运输舰队前往瓜岛运送给养，为下一次即将到来的大战做准备。
在尼米兹的一再要求下，美国舰队总司令金上将紧急命令从珍珠港和美国西海岸增调华盛顿号和南达科他号战列舰及单人护航的巡洋舰、驱逐舰等驶往珊瑚海。并且向卡迪夫机场紧急转场进驻一个无畏式俯冲轰炸机中队，总计16架无畏式轰炸机。
日军方面，为了重新夺回瓜岛，山本五十六虽然在中途岛的赌局中损失惨重，但还是决定再次将自己手上的筹码全部放到瓜岛这个赌桌上去。日本联合舰队在瓜岛方向所罗门群岛东北200海里的洋面上调集重兵，准备同美军舰队一决雌雄。
山本五十六将辖下兵力分为5个战术群：南云中将指挥的航空母舰主力群，包括翔鹤号和瑞鹤号航空母舰；以战列舰比睿号和雾岛号为核心的前卫群,以龙骧号轻型航空母舰做诱饵的牵制群；近藤中将指挥的由千岁号水上母舰和15艘战舰组成的先遣队；9艘潜艇组成的侦查群以及在后方跟进的瓜岛增援群。
山本五十六的意图是以老式轻型航空母舰龙骧号为诱饵，吸引所有的美军舰载机，一旦美军战机油尽返航，迅速出动南云编队航空母舰上的全部舰载机，一举击沉美军的航空母舰。然后再乘胜挥师向瓜岛挺进，彻底消灭美军的登陆部队，重新夺回瓜岛机场。
被日军的一木支队登陆攻击后，叶雄和范德格里夫特少将协商后，双方就进一步加强卡迪夫机场的防御达成了一致意见。海军陆战队开始在机场附近的山岭上建立105MM榴弹炮阵地，以加强机场的防卫力量。
8月23日，日军的舰队抵达瓜岛附近的海域。由于日军在航行中采取了积极的反侦察措施，无论是斯普鲁恩斯中将指挥的特混舰队上派出的侦察机，还是卡迪夫机场上起飞的侦察机都没能发现日军的任何迹象。
与此同时，由日本田中少将指挥的瓜岛增援登陆群由特鲁克起航南下，同时在所罗门群岛警戒的潜艇在马莱塔岛东南海域发现了美军特混舰队。日军主力战斗群遂以战斗序列急速南下，企图歼灭美军舰队。
根据之前制定的作战计划，日军放出了精心设计的诱饵，龙骧号轻型航空母舰。这是日本在1931年建造下水的最早的一艘航空母舰，满载排水量13650吨，上面装有42架飞机。日军希望用龙骧号轻型航空母舰吸引出美军的航空母舰编队。而美军的舰载侦察机也没有令日军失望，发现了日军这个香甜的诱饵。
8月23日10时左右，美军的一架侦察机发现日军的增援群，斯普鲁恩斯接到报告于十四时四十五分派出轰炸机31架、鱼雷机6架前去攻击，16：15分瓜岛的航空队也起飞23架飞机前去攻击，入夜后，美军又派出5架水上飞机向目标海域飞去，但以上三批飞机都没有找到日军增援群，只好扔掉炸弹鱼雷返航。这是因为日军增援群的司令田中经验丰富，他见被美军侦察机发现立即掉头向西北规避，驶出了美军飞机的作战半径，躲过了美军的攻击。
斯普鲁恩斯又接到情报说日军的航空母舰还在特鲁克附近活动，他判断近几天不会有大规模战斗，便令大黄蜂号航母编队返回南方加油，其企业号和萨拉托加号航母编队则继续在马莱塔岛以东活动。这一决定使得他在以后的战斗中失去了一支劲旅，显得有些势单力孤。
8月24日晨，美军两个大队在马莱塔岛东南海域，而日军的大多数战术群也到达马莱塔岛东北海域，双方相距300余海里，而且通过昨天的侦察都知道对方就在附近，只是不清楚对方的具体位置。
十一时，美军的一架水上飞机发现了日军的牵制群，但弗莱彻不大相信，没采取攻击行动。
十三时许，日军牵制群的龙骧号航母起飞6架轰炸机和15架战斗机，前去攻击瓜岛机场。这些飞机遇到了美军卡迪夫机场航空队的有力拦截，被击落一大半，没有能破坏瓜岛机场，但却起到了诱敌作用。斯普鲁恩斯从雷达上发现这一情况，认为这是日军主力的航母编队，立即命令萨拉托加号航母出动30架轰炸机和8架鱼雷机前去攻击。但随后不久，美军的一架水上飞机又报告在已知目标（即日军牵制群）的东北六十海里处发现日军1艘航母，这是日军的先遣群。十四时三十分，企业号航母的侦察机发现了以2艘航母为核心的日军大舰队，也就是日军的主力群。弗莱彻这才感到形势有些不妙，马上命令攻击日军牵制群的机群转向攻击日军主力群，但由于航母与出击机群之间的通讯联络不畅，机群没有接到这一命令，于十五时五十分到达龙骧号上空，此时龙骧号正逆风航行准备起飞第二批飞机，美军30架轰炸机从4200米高空实施俯冲轰炸，8架鱼雷机则分为两队从左右两面以60米高度270米近距离投雷，龙骧号规避不及，被一条鱼雷和十余枚炸弹击中，舰体左倾20度，大量进水，于当天二十时沉没。
当主力群司令南云得知美军舰载机前去攻击牵制群，认为时机已到，于十四时许派出第一攻击波，计攻击机27架，战斗机10架。十五时又出动第二攻击波，计攻击机27架，战斗机9架，直扑美军航母编队。
