הקשר הראשון בין הכוחות נוצר בשעה 22:36, 24 באוקטובר. אחת מספינות הטורפדו זיהתה את טור האוניות, ובמשך שלוש וחצי שעות ניסתה פעם אחר פעם לפגוע בו. כל הטורפדו ששיגרה החטיאו, אך היא דיווחה לאולדנדורף את מיקום ציו של נישימורה. עם היכנסו למצר, שוגרו לעבר הכוח הדרומי מטחי טורפדו ממשחתות שהוצבו לאורך מסלול התקדמותו, עד שלבסוף, בערך בשעה 03:00, נפגעו שתי אוניות המערכה. ימשירו נפגעה אך המשיכה בהפלגתה, ואילו פוסו התפוצצה ונשברה לשניים. בנוסף, שתי משחתות טובעו, ושלישית ניזוקה וטבעה מאוחר יותר.
אוניות המערכה האמריקאיות יצרו קשר ראשון עם הכוח הדרומי בשעה 03:16, עת קלט מכ"ם האונייה מערב וירג'יניה את שארית אוניות הכוח המתקדם. בשעה 03:53, ירתה מערב וירג'יניה מטח ראשון מסוללת תותחי 406 מ"מ (16 אינץ'), והשיגה פגיעה בימשירו. בשעה 03:55, הצטרפו אליה גם קליפורניה וטנסי בירי מתותחי 356 מ"מ (14 אינץ'). מערכת בקרת הירי של האמריקאים איפשרה לאוניות המערכה לירות ממרחק רב, בעוד שהאוניות היפניות, בעלות מערכות פחות מתקדמות, לא יכלו להשיב אש.
שלוש אוניות המערכה האמריקאיות האחרות היו מצוידות מערכת בקרת ירי פחות מתקדמת ולכן נתקלו בקושי לפגוע בכוח היפני: מרילנד הצליחה לבסוף לזהות את המטרה בזכות אומדן המרחק לעמודי המים שהתרוממו בשל הפגזות האוניות האחרות, והחלה לירות בתותח 406 המ"מ שלה; פנסילבניה, לעומתה, התקשתה למצוא מטרה ותותחיה נותרו דוממים; מיסיסיפי הצליחה להנעל על מטרות אויב לקראת סיום הקרב וירתה מטח של שנים עשר פגזי 356 מ"מ לעברו. היה זה המטח האחרון שירתה אוניית מערכה לעבר אוניית מערכה אחרת אי פעם, וכך הגיע לקיצו עידן בהיסטוריה הימית.
ימשירו ומוגאמי הוכו קשות בידי מטחי פגזים חודרי שריון 406 מ"מ ו-356 מ"מ מאוניות המערכה, ובנוסף נפגעו מאש וטורפדו מהסיירות המלוות. ימשירו טבעה, ועימה תת-אדמירל נישימורה, בשעה 04:20. מוגאמי והמשחתת "שיגורה," השורדות היחידות, נסוגו דרומה ויצאו מהמצר.
"כוח המהלומה השני," הכוח המאסף של הכוח הדרומי, בפיקודו של תת-אדמירל קיוהידה שימה, נע כארבעים מילים ימיים מאחורי כוחו של נישימורה. כוח זה, שהורכב משתי סיירות כבדות (נאצ'י ואשיגרה) ושמונה משחתות, פגש בשאריות הכוח הדרומי הנסוג בהתקרבו למצר סוריגאו. בראותו את מה שחשב לשתי אוניות המערכה של נישימורה (למעשה היו אלה שני חצאיה של פוסו), הורה שימה על נסיגה. במהלך הנסיגה התנגשו נאצ'י ומוגאמי, דבר שגרם להצפת חדרי ההגאים אצל האחרונה, והביא לכך שמהירותה הואטה מאוד; היא טובעה ביום המחרת על ידי אש מטוסים. הסיירת הכבדה לואיוויל טיבעה את החצי הקדמי של פוסו, והחצי האחורי שקע בסמוך לאי קאניהאן. מתוך שבע האוניות שהרכיבו את הכוח הדרומי של נישימורה, שרדה רק המשחתת שיגורה. אוניותיו של שימה אמנם שרדו את קרב מצר סוריגאו, אך הן היו עתידות לטבוע בהמשך הקרבות סביב האי לייטה.
קרב מצר סוריגאו היה הקרב האחרון בהיסטוריה במתכונת אוניית מערכה כנגד אוניית מערכה. היה זה אף הקרב האחרון בו הצליח כוח אחד (במקרה זה, האמריקאים) לחצות את ה-T של כוח אחר. אולם, בעת פעולה זו היה הכוח היפני מצומצם ביותר וכלל רק אוניית מערכה, סיירת כבדה ומשחתת, ולפיכך חציית ה-T הייתה סמלית בלבד ובעלת השפעה מועטה על תוצאות הקרב.
הקרב מול סאמאר.
הקדמה לקרב.
החלטתו של אדמירל הלסי לצאת עם הצי השלישי לקראת הכוח הצפוני של אוזאווה הותירה את מצר סן ברנרדינו ללא השגחה. הקצינים הבכירים בצי השביעי, שהיה ממוקם מדרום למצר, האמינו כי הלסי עלה צפונה עם שלוש שייטות של נושאות מטוסים, וכי כוח משימה 34 - שייטת אוניות מערכה - מגן על המצר מפני הכוח המרכזי של היפנים. למעשה, הלסי לא יצר את כוח משימה 34 טרם צאתו צפונה, וכל אוניות המערכה בפיקודו של תת-אדמירל לי עשו דרכן צפונה, ביחד עם שאר כלי השיט של הצי השלישי.
הכוח המרכזי של קוריטה חצה את מצר סן ברנרדינו באין מפריע, בשעה 03:00 ב-25 באוקטובר, ופנה דרומה לאורך האי סאמאר. בדרכו עמדו שייטות נושאות המטוסים המלוות של הצי השביעי, אשר נקראו "טופי" ("Taffy") 1, 2 ו-3. כוח זה מנה שש עשרה נושאות מטוסים מלוות קטנות, איטיות ולא משוריינות, המוגנות על ידי משחתות בעלות חימוש קל בלבד ומשחתות ליווי. על אף אובדן מספר כלים במעבר פאלוואן ובקרב ים סיבויאן, עדיין החזיק הכוח המרכזי של תת-אדמירל קוריטה בעוצמת אש גדולה. הכוח מנה ארבע אוניות מערכה ובכללן יאמטו, שש סיירות כבדות, שתי סיירות קלות ואחת עשרה משחתות.
הקרב.
הכוח המרכזי הפתיע לגמרי את "טופי 3." אדמירל-משנה קליפטון ספרייג, מפקד השייטת, הורה לנושאות המטוסים לשגר את מטוסיהן ולנוע אל המסתור שהציע ענן גשם במזרח. בנוסף, הוא הורה למשחתות ולמשחתות הליווי להרים מסך עשן, על מנת להסתיר את נסיגת נושאות המטוסים.
קוריטה הניח כי הכוח העומד לפניו היא שייטת נושאות המטוסים של הצי השלישי של הלסי, שכן בזמן זה לא ידע כי הסחתו של הכוח הצפוני של אוזאווה צלחה. זמן קצר לאחר שהורה לאוניותיו לעבור למבנה הגנת נ"מ, שינה קוריטה את פקודתו, ונתן הוראה של מתקפה כללית, לפיה על הצי להתחלק לקבוצות קטנות ולתקוף באופן עצמאי.
המשחתת האמריקאית ג'ונסטון הייתה הכלי האמריקאי הקרוב ביותר לכוח היפני. על פי יוזמתו האישית, הפנה המפקד, לוטננט קומנדר ארנסט אוונס, את אונייתו לכיוון הכוח היפני העדיף. ספרייג, בראותו זאת, נתן את הפקודה לכל שאר הכלים של טופי 3 לצאת למתקפה. שתי משחתות נוספות (הואל והירמן) ומשחתת ליווי (סמואל ב. רוברטס) פנו לקראת הכוח המרכזי, שיגרו טורפדו ובכך הצליחו לשבש את מבנה הכוח המרכזי. על התקפה נועזת זו עוטר אוונס במדליית הכבוד, העיטור הצבאי הגבוה ביותר בכוחות המזוינים של ארצות הברית,
באותו זמן, הורה המפקד העליון של שייטות טופי, אדמירל-משנה תומאס ספרייג, על כל נושאות המטוסים שלו לחמש את מטוסיהן בכל אמצעי לחימה אפשרי, ולשגר אותם. בסך הכל היו תחת שליטתו כ-450 מטוסים, בעיקר מטוסי תקיפה ומפציצי טורפדו, אשר התקפותיהם הסבו נזק לאוניות היפניות.
נושאות המטוסים של טופי 3 פנו דרומה בנסיגתן. נושאת המטוסים גמביר ביי, אשר הפליגה בסוף המבנה האמריקאי, ספגה פגיעות קשות וטבעה, בעוד ששאר נושאות המטוסים מטופי 3 ניזוקו.
נסיגתו של הכוח המרכזי.
נחישות ההגנה האמריקאית חיזקה אצל קוריטה את האמונה לפיה כוחו נתקל בשייטת נושאות המטוסים של הצי השלישי. הבלבול שיצר שינוי הפקודות המהיר של קוריטה תרם לחוסר הסדר במבנה הכוח היפני, שנגרם כתוצאה מהתקפות הטורפדו והמטוסים האמריקאים. בנקודה מסוימת בקרב, נקטה יאמטו בתמרון התחמקות מטורפדו, ובכך יצאה מהמבנה ואיבדה קשר עם שאר הכוח. בשלב זה, הורה קוריטה לאוניותיו לסגת צפונה, על מנת להתארגן מחדש. עם שינוי כיוון ההפלגה בחזרה למפרץ לייטה, קיבל קוריטה דיווח לפיו שייטת נושאות מטוסים אמריקאיות עושה דרכה לכיוונו מצפון. בהעדיפו לנצל את כליו כנגד אוניות מלחמה, ולא כנגד ספינות תובלה, הפנה קוריטה את ציו צפונה, במטרה לפגוש בשייטת האמריקאית. לאחר מספר שעות של חיפושים, בהן לא נמצאה השייטת האמריקאית, הורה קוריטה לציו לשוב ולעבור במצר סן ברנרדינו. שלוש מהסיירות הכבדות שלו טובעו, ונחישות ההגנה האמריקאית שכנעו אותו כי המשך הקרב יסתכם בהפסד יפני נוסף. גורם נוסף שהשפיע על החלטתו של קוריטה לסגת היה אי-ידיעתו על הצלחתו של אוזאווה להרחיק את הצי השלישי מלייטה, וכך השתכנע כי הכוחות מולם עמד היו שייטות מהצי השלישי.
לקראת סוף הקרב, השליך תת-אדמירל טקיג'ירו אונישי את "כוח ההתקפה המיוחד" שלו למערכה. הייתה זו טייסת קמיקאזה אשר פשטה על הכוחות האמריקאים מול סאמאר ובמפרץ לייטה. נושאת המטוסים המלווה "סנט לו" מטופי 3 ספגה פגיעת קמיקאזה וטבעה לאחר סדרת פיצוצים פנימיים שנגרמו מהפגיעה.
אבדות.
כמעט כל הכוחות הנותרים מהכוח המרכזי הצליחו להימלט דרך מצר סן ברנרדינו, כאשר אוניות המערכה של הלסי מחמיצות אותם אך במעט בשובן לאזור. נאגאטו, הרונה וקונגו נפגעו בתקיפות המטוסים של טופי 3. קוריטה החל את הקרב עם חמש אוניות מערכה, ועם נסיגתו, נותרה רק הימאטו כשירה ללחימה.
בצד האמריקאי, טובעו נושאות המטוסים המלוות גמביר ביי וסנט לו, המשחתות הואל וג'ונסטון ומשחתת הליווי סמואל ב. רוברטס, וארבע אוניות נוספות נפגעו. המשחתת הרימן, על אף עליונות האויב מולו עמדה בקרב, איבדה שישה אנשי צוות בלבד.
מעל לאלף אנשי צוות וטייסים אמריקאים נהרגו בקרב זה. כתוצאה מתקשורת לקויה וכשלים אחרים, ניצולים רבים מטופי 3 לא חולצו במשך מספר ימים, ורבים מהם מתו כתוצאה מכך.
קרב כף אנגאניו.
הכוח הצפוני של אוזאווה כלל ארבע נושאות מטוסים (זואיקאקו - השורדת היחידה מבין שש נושאות המטוסים שהשתתפו בהתקפה על פרל הארבור - זואיהו, צ'יטוסה וצ'יודה), שתי אוניות מערכה מתקופת מלחמת העולם הראשונה (היוגה ואיסה), שלוש סיירות קלות (אויודו, טאמה ואיסוזו) ותשע משחתות. על אף ריבוי נושאות המטוסים, כלל הכוח 108 מטוסים בלבד.
הכוח הצפוני אותר על ידי האמריקאים רק בסביבות השעה 16:40 ב-24 באוקטובר, בשל העובדה כי המטוסים שהיו אמונים על האיתור היו עסוקים בתקיפת הכוח המרכזי ובהדיפת מתקפות אוויריות מלוזון. בערב ה-24 באוקטובר, יירט אוזאווה דיווח אמריקאי לפיו נסוג הכוח המרכזי של קוריטה מים סיבויאן, והחליט לסגת צפונה. אולם, בשעה 20:00, קיבל פקודה ממפקד הצי המשולב, טויודה, הקוראת לכל הכוחות הפועלים "להתקדם תוך הסתמכות על סיוע אלוהי," ובעקבותיה הפנה אוזאווה את ציו ושב ופנה דרומה, לכיוון הצי השלישי.