Примерно в это же время воздушные разведчики японцев сообщили об обнаружении одного большого и одного малого авианосца к западу от Кыски. Причем одинаковые донесения прислали сразу два самолета, патрулировавшие разные сектора. Либо пилоты обнаружили один и тот же отряд, но ошиблись координатами, либо американцы все-таки ввели в строй большой английский авианосец. После недолгих раздумий Ямамото решил не рисковать и отдал Нагумо приказ послать торпедоносцы и пикировщики по обеим целям. Сам же он со всеми линкорами и соединением Кондо направился на Ата, чтобы покончить с отрядом Кинкейда. В это время атакующие эскадрильи уже поднимались с палуб американских авианосцев.

Дальнейший ход Алеутского сражения с подробным разбором взаимных ошибок стал темой многочисленных книг и фильмов, созданных в последующие десятилетия. Как выяснилось уже через несколько часов, командующий американским соединением контр-адмирал Флетчер не догадывался о существовании отряда Кондо и все сообщения о группе из четырех авианосцев относил к отряду Нагумо. Японцы же слишком поздно поняли, что в распоряжении Флетчера вовсе не один и даже не два больших авианосца. В это сражение американцы сумели выставить «Хорнет», «Илластриес» и считавшийся давно потопленным «Йорктаун». Кроме того, в ударное соединение Флетчера входили эскортные авианосцы «Сэнгамон», «Свани», и «Санти», каждый из которых мог поднять 30 самолетов.

На рассвете пикирующие бомбардировщики с «Дзуйкаку» и «Секаку» обрушились на десантный караван Кинкейда, потопив два эсминца, танкер и пять транспортов с войсками, а также повредив крейсер, эсминец подводную лодку. Одновременно взлетевшие с «Фукурю» пикировщики и торпедоносцы вышли на отряд огневой поддержки и нанесли повреждения линкорам, авианосцам и двум крейсерам. Атаки американских истребителей и огонь зенитной артиллерии причинили японцам солидные потери, но «Индиана» потерял ход и вторую башню главного калибра.

Одновременно завязалась дуэль авианосцев: около сотни американских самолетов атаковали соединение Нагумо, а японские самолеты отправились бомбить «Илластриес» и «Хорнет». Несмотря на чудовищные потери от средств ПВО, некоторым машинам удалось прорваться сквозь огонь и поразить цели. Через два часа после рассвета горели «Илластриес», «Хорнет», «Свани» «Сорю» и «Корю», а «Санти» затонул после трех попаданий крупнокалиберных бомб.

Около полудня, когда поредевшие эскадрильи вернулись на поврежденные авианосцы и обе стороны подняли в воздух самолеты второй волны, возле Кыски начался артиллерийский бой. «Ямато», «Мусаси» и «Нагато» открыли огонь по «Индиане» и «Вашингтону», а «Муцу» и «Харуна» взялись за «Нью-Йорк». Вокруг сцепившихся крупнокалиберными клыками великанов кипели мелкие схватки крейсеров, эсминцев и подлодок. Два конвойных авианосца послали свои машины в самоубийственный рейд, итогом которого стали потопленный «Хосио» и тяжело поврежденный «Муцу». На «Лонг-Айленде» и «Шенанго» не оставалось истребителей для самообороны, поэтому самолеты с «Дзуйкаку» беспрепятственно отправили оба корабля на дно.

В лучшем положении оказался флагманский «Йорктаун», присутствие которого оставалось для японцев загадкой вплоть до 14.40, когда отправленный на разведку гидроплан обнаружил один большой и один малый авианосцы противника в сопровождении крейсера и трех эсминцев. Таким образом, в первые несколько часов сражения никто не бомбил отряд Флетчера, тогда как «Йорктаун» и «Сэнгамон» дважды нанесли удар по соединению Нагумо, повредив бомбами палубу «Акаги» и потопив торпедами «Сорю».