レイテ沖海戦 10月24日
福留は攻撃隊が出撃するや直ちに第二次攻撃隊の準備を各基地に命じるが、状況は皆目判らなかった。13時50分、昼までに帰還した第一攻撃集団主力から九九艦爆25機と零戦22機が再度敵機動部隊攻撃に向かうが悪天候に悩まされ、進撃して80海里進んだだけで攻撃を断念するしかなかった。
このように栗田艦隊の進撃を支援するため米機動部隊に繰り返し攻撃を仕掛けた基地航空部隊であったが、発見した第3群をハルゼー機動部隊の全軍だと思い込み、それに攻撃を集中したため残りの第1群・第2群は何の抵抗も受けずに栗田艦隊を攻撃することができた。栗田艦隊に攻撃を加えている機動部隊が他にいることに福留が気づいたのは15時頃で、前述の栗田艦隊も受電していた「241207番電」によってであった。この敵はハルゼーが直接率いている第2群で、栗田艦隊の真正面に位置して日本側の妨害を受けることなく同艦隊を攻撃し続けていた。6時間も遅れて届いた敵情報に色めきたった司令部は直ちに索敵機を出撃させるように指示するが、準備に手間取ったため飛行艇3機が出撃したのは夜半となった。福留は夜間攻撃を準備するとともに状況報告を求めていた栗田艦隊に対してその旨を伝えるが、すでに一時反転したあとであり、栗田艦隊への空襲は終わっていた。
16時15分より薄暮、夜間攻撃の天山艦攻9機が出撃する。また一式陸上攻撃機12機と銀河8機も発進する。一式陸攻隊は敵を発見できずに帰投。銀河隊（指揮官：壱岐春記少佐）8機は敵機の奇襲を受け指揮官機以外は撃墜され、指揮官機も不時着する。結局夜間攻撃は成果を挙げられず、基地航空隊の奮闘は翌日に持ちこされた。
20時30分、台湾東港から九七式飛行艇が1機（山之内茂美大尉機）夜間索敵に出撃、22時15分にはマニラから1機（小林鹿一少尉機）、翌25日0時にもう1機（横尾一中尉機）が夜間索敵に出撃し、計3機の九七式飛行艇がヌロ三ス等の米空母が発見されたフィリピン北東海域の哨戒に当たった。
小沢率いる機動部隊本隊は、6時には予定地点に到達した。計画に従い偵察機10機（瑞鶴7機・瑞鳳2機・大淀から1機）を出撃させた。8時45分には追加で瑞鶴機1機を出撃させるがこの瑞鶴機が11時15分、待望の敵機動部隊発見の報告をする。小沢はこの部隊を攻撃することにし、11時38分に連合艦隊司令部他関係各部隊に敵機動部隊攻撃を伝達する。
11時58分、機動部隊本隊の各空母から攻撃隊が出撃する。しかしエンジンの不調などにより出撃取り止めや出撃後引き返した機が続出し、瑞鶴隊は24機（零戦10・爆装零戦11・天山1・彗星2）、瑞鳳・千歳・千代田の隊は33機（零戦20・爆装零戦9・天山4）が出撃し、2隊に分かれて進撃した。瑞鳳らの隊は敵戦闘機約20機と遭遇し交戦、8機を撃墜するが敵艦隊を見つけることができずに周辺のツゲガラオ基地に帰還。天山2機、爆装零戦1機、零戦6機が未帰還となった。
瑞鶴隊も相前後してアメリカ軍機の迎撃を受ける。それでも13時50分に敵艦隊を発見、それは第3群で攻撃隊は空母1隻轟沈、1隻沈没を報じたが、実際は沈没した艦はなかった。攻撃隊は天山1機、爆装零戦5機、零戦2機を失い友軍飛行場に退避した。
機動部隊本隊は攻撃隊出撃後の12時24分、索敵機を収容したが14時を過ぎても敵からの空襲の兆候がなく、攻撃隊からの結果報告もなかった。瑞鳳らの隊の機で数機が母艦に帰還したが敵を発見しておらず戦果は不明だった。
その一方、12時頃より栗田艦隊より敵機動部隊からの空襲で損害を被り被害が増大している状況が報じられ、敵機動部隊に対する牽制は成功していないことが明白となった。そこで小沢は艦隊を二分し、前衛部隊を更に南下させることを決定する。
16時41分、瑞鶴は突如アメリカ軍機を発見、砲撃するも逃げられる。敵に発見されたと判断した小沢中将は直掩機を出すが、まもなく日没であり18時8分には全機収容する。この際着艦に失敗した零戦1機が洋上に転落、更に搭乗員を救助しようと飛行甲板の誘導員1名も海に飛び込んだ。直ちに駆逐艦桐、杉が救助に向かう。2隻は日没後に該当海域に到達し漂流者2名を奇跡的に発見し誘導員を救出（搭乗員は人事不省で死亡が確認された）、部隊への合流を図る。だが2隻はなかなか合流することができず、針路を西に変えて航行していると23時頃前方に艦隊を発見する。主隊だと思った2隻はこれに合流するが、直後にこれがアメリカ艦隊であると判断、桐艦長川畑誠少佐は杉と共に反転し退避、難を逃れている。結局2隻はそのまま主隊に合流することなく高雄へ帰投することになり、機動部隊本隊の護衛戦力が低下した。
19時、連合艦隊司令部より「天佑を信じ全軍突撃せよ」の無電を傍受する。ところが20時に栗田が16時に出した一時反転を報じる機密電を受信する。小沢は栗田艦隊が再反転することを期待していたが何時になっても再反転の連絡はなかった。実際には栗田艦隊は再進撃を開始しており、前述のように19時39分発で打電したりしていたが小沢艦隊は傍受できなかった。このため小沢は栗田艦隊は退却したと判断する。そしてこのままでは敵中に孤立すると考え、艦隊を一時反転北上させることにし、前進させていた前衛部隊にも北上を命じた。
栗田艦隊のサンベルナルジノ海峡強行突破を危惧したハルゼーは、第38任務部隊から戦艦5隻を中核とする水上砲撃部隊を引き抜いて第34任務部隊(TASK FORCE 34)が編成予定であることを全軍に知らせて迎撃の準備を進めていたが、パイロットの報告から栗田艦隊は大打撃を受けたと判断、反転したこともあり栗田艦隊は撤退していることをニミッツに報告した。15時40分、第3群の索敵機が小沢艦隊を発見、16時40分には「空母4隻、軽巡洋艦2隻、駆逐艦5隻」と続報が入り、これらの報を受けたハルゼーは、この小沢艦隊が日本側の主力部隊だと判断する。ニミッツより「日本艦隊が迎撃に出てきたら優先してこれに当たれ」と命令されていたハルゼーは、反転した栗田艦隊への攻撃を中止し、新たに出現した小沢艦隊への攻撃を決断する。そして別行動中の第34任務部隊第1群を除く3個群を全て率いて北上を開始、19時25分発の無電でキンケイドやニミッツに北上する旨を通達した。
通達を受けたニミッツとキンケイドは、その前にハルゼーから「第34任務部隊編成」の電文を受けていたので、北上するのは3つの空母群のみで第34任務部隊は残ってサンベルナルジノ海峡を防衛すると考えていた。このためキンゲイトはサンベルナルジノ海峡方面の警戒を解き、更に南方から接近する西村部隊に水上部隊のほぼ全力を充てる決断をしてしまい、レイテ湾周辺はがら空きになってしまった。
栗田艦隊は17時15分に再度反転し、ハルゼーにもその報告は届いていたが、栗田艦隊は大打撃を受けており、キンケイドが手持ちの水上部隊のほぼ全力を西村・志摩両艦隊に向けたことを知らないハルゼーは、キンゲイトの自前の戦力でも対処できると判断し、そのまま艦隊集結と北上を続けていた。その後、軽空母インディペンデンスの夜間索敵機が栗田艦隊が12ノットで東進していることを報告し、さらに「ここ数日点灯していなかったサンベルナルジノ海峡の灯台が、今に限ってなぜか点灯している」との報告もあったが、いずれの報告もハルゼーの関心外であった。こうして、栗田艦隊はサンベルナルジノ海峡で待ち伏せに遭うことなく通過し、レイテ湾を目指してサマール島東岸を南下した。
23日に大きな損害を被った第十六師団だが、航空総攻撃が開始されるこの日、牧野師団長は海岸から最大で15km地点にあたるブラウエン、タボンタボン、パロ西方高地などの地点確保を命じた。しかし米軍の侵攻は止まらず、期待された航空攻撃も乏しかった。米軍はブラウエン、ヒンダン、パロ西方高地を24日中には占領、午後には戦車およそ40両を先頭とする2個大隊が、海岸より西へ10kmのブラウエン地区へ進入を開始し日本側と激戦が展開された。