在战场的另一边，返回航母的日本飞行员，向小泽报告说在攻击中先后共击伤了联军5艘航母和1艘战列舰和3艘巡洋舰，比真实情况夸大了许多。这使小泽认为战果辉煌，作出了错误的判断，决定出动所有飞机乘胜追击，给联军更大的打击。但实际上联军所有的战列舰都被扬克尔集中到了东海一线，准备与山本进行一场海上决战，萨师俊舰队根本没有战列舰，只有2艘航母和2艘巡洋舰受到轻创，但“阿尔伯特王子”号和“浙江”号经过紧急抢修后，仍然能够勉强起降战机作战，而且两艘巡洋舰受损都不是很严重。
中午11时50分，小泽下令派出手头上仅有的87架作战飞机，开始进行第四波攻击。然而此时，陈柱国中校指挥的中方第12潜艇大队1201号潜艇趁着日本舰队起降战机的混乱时机，突破了日本舰队的警戒圈，占据到了有利的攻击位置。
正在起飞战机的日本舰队浑然不觉危险已经悄悄降临。
与此同时，在距离小泽的旗舰大约1600米左右的水面，一支黑色的潜望镜杆悄然升出了海面。
“我已经看到那群该死的鬼子军舰了，两艘驱逐舰，距离900左右，它们应该还没发现我们！”陈柱国将自己的注意力集中在潜望镜上，从最初发现日本舰队到现在已经过去了整整30分钟，他指挥着潜艇在不断变换的位置，终于寻觅到了合适的攻击机会。
这会儿，隔着薄薄的艇壳，似乎能听到不远处军舰身下翻滚的水声，以及声纳发出的乒乒作响的尖锐回声。
“好！保持目前深度！”陈柱国提高了嗓门，声音很响亮，而且显得有些兴奋：“乖乖，我的老天，遇到大鱼了！记上！右前进入角43度，敌人大型航母一艘！艇首鱼雷发射管作好准备！”
回声测距器叫得越来越响、越来越尖了，螺旋桨声也更大了。鱼雷指挥长把舰长报出的数据输入鱼雷发射数据计算机。在自动航迹推算描绘仪上，1201号艇由一个移动着的光点来表示，敌舰的航线和鱼雷的攻击路线由两条交汇的直线来表示。
司令塔里寂静无声，整条潜艇内也一片肃静，艇员们都在等待着艇长所发出的攻击指令。
“距离1600，方位162。记上！前缘进入角右舷44度。降下潜望镜！”陈柱国皱了皱眉头，敌人航母右侧的两艘护航的驱逐舰有些计厌，有可能挡住一到两枚鱼雷的进攻线路，不过，现在也管不了那么多了！他压低了嗓音，用急迫的声音命令道：“现在，全体就位，鱼雷准备发射，把艇首发射管的外盖打开。”
“发射管的外盖已经打开，长官！”很快，艇艏鱼雷舱就回答道。
“很好。六发，快速发射！降下潜望镜”
“发射一！……发射二！……发射三！……发射四……发射五、发射六！”仅仅十多秒钟，在一阵颠簸和一阵水浪声之后，一枚枚鱼雷从1201号上发射了出去。
“升起潜望镜。很好，六道尾波十分漂亮！小日本们，该你们偿偿挨揍的滋味了。好，一切正常，降下潜望镜！下潜到120米！”
此时在海面上，一架刚起飞的日本轰炸机发现海面上有六条射向“瑞鹤”号航母的鱼雷航迹，飞行员便按下机头将其中一条鱼雷撞毁。最初“瑞鹤”号上的航空指挥官和甲板上的勤务人员还认为是发生了起飞事故，但随后护航的“岛风”号拉响了警笛，航母上的人员才发现了射向他们的鱼雷。
由于“瑞鹤”号正在起飞舰载机，根本无法进行有效规避，“岛风”号虽然勇敢地拦截了一枚鱼雷，但还是有两枚鱼雷先后命中了“瑞鹤”号右舷前部升降机附近和后部停机区的舰体，整艘航母立刻燃起了大火。
日军的灾难并未结束，1205号潜艇紧接着也突破了日舰的警戒，向“翔鹤”号航母发动了攻击，由于负责保护“翔鹤”号的驱逐舰声纳装备比较落后，在众多军舰活动的海域根本无法发现美军潜艇的逼近，使1205号艇从容地在“翔鹤”号右舷前方1100米处占据了有利发射阵位，齐射了六条鱼雷。有三条鱼雷直接命中目标，海水从炸开的破口汹涌而入，航母内部也燃起大火，并不时发生爆炸，舰体很快产生倾斜。
1201号潜艇趁着日本舰队混乱的时机，摆脱了敌人的追踪。而1205号艇则没有那么幸运了，他们受到了日本驱逐舰长达两个多小时的追踪攻击，几艘日本驱逐舰投下了一百多枚深水炸弹。但1205号潜艇凭借着艇长冷静的指挥和潜艇优异的性能，在日军的狂轰滥炸下只受了轻微的损伤，巧妙地摆脱了日舰的追击安全地返回到了宫古岛的临时锚地。
小泽的噩运还没有结束，在顶住了日军舰载机的三波攻击之后，萨师俊一面指挥舰队向日机来临的东北方向快速前进，一面不停地派出战斗侦察机部队扩大搜索范围。到中午时分，仍然还没有发现敌人的踪迹。
12点05分，他接到了潜艇部队的报告，日军舰队位于他的正东方，于是萨师俊又下令舰队改变航向，朝东面追击。
下午2点，终于有一架飞机报告说在东北约240海里发现日军舰队，而且正在撤退。
萨师俊决心立刻出击！
于是，整个舰队所属的9艘航母一起迎风转向，各航空母舰也行动十分迅速，在15分钟内就有15个中队246架战机长空，其中包括106架战斗机、97架轰炸机和43架鱼雷机，随即第一攻击波编队浩浩荡荡地飞向日本舰队方向。整个航空舰队则继续全速东进，尽量缩短舰载机返航的距离，以接应完成攻击的飞机降落。
2点45分，萨师俊又派出了第二攻击波的264架战机。
下午4点27分，第一攻击机群首先追上了日军的补给船队，部分联军战机立即进行了攻击，击沉了日军三艘油轮，另外击伤了两艘油轮和一艘运输船。其余大部分战机继续东进，很快发现了日军舰队，并方始展开了攻击。
小泽早在15时起就知道联军航母编队正在后面进行追击，而且自己位置也已暴露，肯定会遭到美军飞机的攻击，于是下令全速向西北撤退，并以部分水面舰只组织了一支断后编队，担负掩护。随后他又将整个舰队残存的79架战斗机尽数派出，进行空中掩护。同时还三个航母编队相互靠拢，缩小间距，以便发扬护航军舰的防空火力。
联军战机临空后，与空中拦截的日军战斗机发生了激烈的空战，尽管日机数量上、性能上以及飞行员素质上都要比联军差，但仍进行了顽强的拼死苦战，协同水面的防空火力一共击落22架联军战机。但大部分联军战机还是突破日机空中拦截，对日军舰队进行了猛烈攻击，先后击沉了“飞鹰”号和“龙骧”号航母，并再次重创了受伤的“瑞鹤”号，另外掩护舰队的“雾岛”号战列舰和“摩耶”号重巡洋舰被击沉，“榛名”号和“比睿”号战列舰被重创。
由于小泽全力向西北撤退，联军第二攻击波的机群找错的方位，等到再折返回来时，敌人已经远离作战半径4、50海里之外。由于担心无法返航，于是航空指挥官下令取消了攻击，小泽舰队最终大难不死，避免了全军覆灭的命运。
看到无色已晚，加上还要搜救落水的飞行员，于是萨师俊下令取消了原定的第三波攻击。此时，日军舰队的舰载机仅剩41架，仅剩的三艘航母也都受到重创，几乎完全丧失了战斗力，已经无法对正在冲绳登陆的联军运输舰队构成威胁。
17点35分，小泽接到山本的命令，开始向本土撤退。