随後，九七艦攻在零戰掩護下開始投放魚雷，日軍飛行員的鬥志絲毫不遜色于美國飛行員。指揮官村田重治更是經曆過珍珠港和中途島的老将，他指揮九七艦攻們趁美軍F4F迎擊九九艦爆的空隙從大黃蜂号兩側發起攻擊，并同時發射魚雷。大黃蜂号短時間内被7枚250公斤炸彈和4條魚雷連續擊中，全艦燃起大火并開始向右傾斜。在其側後方的朱諾号輕巡洋艦替旗艦擋了2條魚雷，結果迅速沉沒，全艦僅10人幸存，陣亡者中包括著名的沙利文五兄弟——從此美國不再讓同一家庭成員在一艘軍艦上服役。
幾分鍾後，關衛少佐的第二攻擊隊到達戰場上空，他首先發現了起火燃燒的大黃蜂号，但他判斷攻擊大黃蜂号編隊的飛機數量夠多了，而從美軍今天對炮擊艦隊的進攻頻率和速度來看，對方一定還有另一艘航母。順着這個思路，攻擊隊很快就找到了10海裏外的企業号和南達科他号。
迎接第二攻擊隊的是南達科他号戰列艦兇猛的防空炮火，這艘戰列艦上裝備了上百門40mm博福斯高炮，防空火力如同地獄般恐怖。一架九九艦爆在俯沖前右翼中彈起火，飛行員跳傘沒成功，連人帶機撞在南達科他号的前甲闆上。日軍其餘飛機繼續猛攻，主要火力集中向企業号招呼，南達科他奮力擋槍，先後中了4顆炸彈，中炮塔被炸壞而不能使用。随即九七艦攻們開始投雷，南達科他号連中2雷，不過隻進水4000多噸就被控制住了，整體略微傾斜5度，企業号中了一雷，速度降低到隻有13節，另一條魚雷本是沖着企業号去的，他身邊的驅逐艦史密斯号奮力阻擋，以自己的沉沒替企業号抗下了一雷，
從9:19分開始，企業号2分鍾内被五顆炸彈直接命中，一顆炸中了前部升降機之後的飛行甲闆，前部升降機因電力中斷而卡在一半的高度上，另2顆炸彈擊中了右舷，炸出一個直徑2米見方的大洞，還有2顆在艦尾爆炸，艦尾操作室被炸開一個破孔，次方向舵也被炸壞。9:27，企業号又接連被3顆炸彈擊中，第一顆穿過飛行甲闆落在轟炸機彈藥艙上，當場引爆了機庫。第二顆命中艦首飛行甲闆最前端，穿過飛行甲闆和船殼落入水中，第三顆則把右側錨鏈艙炸開一個破口。此時企業号傾斜已相當厲害，但仍然能靈活的左右機動，避開了其它炸彈。而損管人員抓緊時間搶修，竭力維持其基本的起降能力。
此時，第三攻擊隊到達戰場，面對已起火的兩艘航母改變策略，先行發射魚雷削弱存活軍艦。大黃蜂号再次被命中兩條魚雷，掙紮着緩緩沉沒，企業号周邊布滿了擋槍者，重巡洋艦波特蘭号連中5雷，再加上前面吃到的2顆炸彈，不到半分鍾就宣告沉沒，全艦隻逃出27人，波特号驅逐艦靠近企業号，挨了2顆航空炸彈，也隻能接受沉沒的命運，不過他在沉沒前還擊落了一架九九艦爆。彭薩科拉号重巡洋艦和聖地亞哥号輕巡洋艦前赴後繼地上來擋槍，各中3顆炸彈加一條魚雷，4分鍾内沉沒。
南達科他不愧爲粗又硬，繼續吃了1枚魚雷和2顆炸彈，傾斜趨勢進一步加劇，注水後勉強恢複平衡，不過此時已吞下了6000多噸海水，速度也降低到了11節，而企業号的航速隻有9節。現在整個TF16\17比較完好的大艦還剩重巡洋艦北安普頓号，隻見他加快速度，再次與南達科他一左一右護住企業号，整個TF16\17一共有14條驅逐艦，除已沉沒的軍艦外，其餘包括馬漢号、庫欣号、普雷斯頓号、莫裏号和巴頓号等5條驅逐艦艦在外圍，他們不同程度地帶着傷，但依然頑強地構建了最後一個圓形防禦陣，對抗着空中200多架飛機。
天空中本來有20架護衛戰鬥機，他們與零式奮力拼殺，最後幾架看着勢頭不對，抓住空擋也如法炮制地用撞擊法對付即将投彈或投雷的日本飛機，先後有3架艦爆和2架艦攻墜落海中。十幾分鍾後，空中就隻有日本飛機而沒有美國飛機了
機動艦隊80%以上的對艦攻擊機已投完彈藥準備返航了，還有17架艦爆和13架艦攻沒有投彈，他們自發地糾集起來，在40多架零戰的掩護下（其實掩護與否也無關緊要了）組建了最後一次臨時攻擊波，對殘餘美國艦隊展開進攻，北安普頓号連中3雷沉沒，南達科他号又中2顆炸彈，前後炮塔全部損壞，企業号再中2顆炸彈，不過畢竟是正規大型空母，生命力比飛鷹要強，雖然起降能力徹底喪失，整體傾斜高達15度，但依然還在蹒跚移動，5條驅逐艦被擊沉了4條。
到9:48分時，這場海空戰終于接近了尾聲，曾經威風凜凜的雙航母TF16\17編隊隻剩下了3條慘重傷亡的軍艦，最高航速是巴頓号驅逐艦的9節，南達科他隻有6節，企業号7節，除了放出去的最後46架進攻機群，整個編隊艦載機也近乎完全覆滅了。
就最後46架飛機的使用金凱德征求了哈爾西的意見——去攻擊日本航母部隊顯然不現實，他們隻有2個選擇，一是回頭往新幾内亞島方向飛行，能飛多近飛多近，然後跳傘讓人搭救，另一個選擇是繼續攻擊日本炮擊艦隊，哈爾西痛苦地思考了3分鍾，決定把權利下放給帶隊指揮官。
聽說身後的艦隊近乎全軍覆沒，第三攻擊波所有飛行員一片沉默，最後一緻決定繼續進攻日本艦隊，死也要死在沖鋒的路上，10：27分，炮擊艦隊迎來最後一波美軍進攻，他們近乎用以命搏命的方式在進攻，大和号又吃了2顆炸彈加一條魚雷，進水量達到4800噸。羽黑号被命中一條魚雷，長門與陸奧各吃到2顆炸彈，春雨、五月雨驅逐艦被擊沉。擔任掩護任務的零式戰鬥機損失23架，再加上戰鬥結束後油料基本用盡、飛行員隻能跳傘的7架，最後擔當掩護任務的零式隻剩下了35架。而這46架美國飛機也近乎全軍覆沒，最後脫離現場飛往新幾内亞的飛機隻剩下14架。
雖然戰鬥已接近了尾聲，但堀悌吉的鬥志反而越來越高昂，他已知道了目前TF16\17的情況，也知道還有3條軍艦在水面掙紮着，他下達了新的作戰指示：“所有情況良好的高速重巡洋艦全速趕往現場搭救落水人員（不論敵我）并盡可能擊沉敵艦，主力随後趕到，機動艦隊不必再行進攻，戰場掃尾工作由炮擊艦隊完成。”
此時美軍艦隊竭力撤退，傷痕累累的南達科他表示由驅逐艦保護企業号撤退，自己斷後掩護，金凱德深知時間緊迫，也沒法繼續解釋，隻能含淚告别南達科他号，帶着蹒跚的腳步倉皇撤退。等下午2點鍾日本重巡洋艦群趕到現場時隻看到受創嚴重、前甲闆近乎于海平面持平、三座炮塔全部失靈的南達科他号了。高雄号打出了讓其投降的旗語，卻被美國人堅決拒絕。在妙高号的組織下，4條驅逐艦抵近發射威力強大的九三氧氣魚雷，片刻後就把這條排水量高達3.5萬噸，服役不過半年的新銳戰艦送入海底。
下午3點15分，日本快速戰鬥群找到了企業号，不過其由于進水太多、損管無力而處于側傾狀态，不等日本軍艦動手就緩緩沉入海底，最後留在艦上的是與艦同沉的金凱德少将。由于快速戰鬥群要打撈落水、失蹤人員而放棄了對最後一艘驅逐艦的追逐。巴頓号驅逐艦與上午逃脫的亞特蘭大号一起成爲美方整場南太平洋大戰的幸存者。
1942年11月5日晚，在“軍艦進行曲”中東京大本營發出了南太平洋海戰戰報：“帝國海軍于11月5日黎明至下午在所羅門海域與敵有力艦隊交戰，擊沉航母2艘、新銳戰列艦2艘、巡洋艦8艘，驅逐艦17艘，敵機200架以上因擊墜或其他原因喪失。我方損失輕型航母與老式戰列艦各1艘，驅逐艦4艘，巡洋艦2艘與驅逐艦3艘小破，均對戰鬥航行無妨礙，飛機未歸者50多架。”
實際上，日本光航母艦載機群就損失了近50架，海航陸基航空隊用于掩護炮擊艦隊的戰鬥機損失高達100多架，南太平洋戰鬥機群被一掃而空……