珊瑚海海战 战斗
另一方面，TF17正在路易西亚德群岛东南约180海里（330），此时美军可用的作战飞机有117架，包含31架战斗机，65架俯冲轰炸机SBD，和21架鱼雷机TBD。06:35起飞了18架SBD对200海里（370）内进行360°搜索：其中12架SBD被派往北边搜索，那里也是被认为日军航母可能的位置；另外6架SBD只要向南搜索125海里（232）然后就返回，在回程同时进行反潜巡逻。美军航母上空大体晴好，能见度约17海里（31）。
08:20隶属列克星敦、由约瑟夫·G·史密斯操纵的一架SBD透过云层中的一个空隙发现了机动部队，但该机误报了日军航母的位置，比实际位置偏南了约45海里（83）。此后罗伯特·E·迪克森的SBD接替了史密斯，一直都留在原地帮助引导美军空袭。大约两分钟后，翔鹤的一架搜索飞机也发现了TF17并向原汇报；日军飞机的电报被TF17的无线电侦听分析员截获，弗莱彻因此得知他已经被日本人发现了。此时双方相隔约210海里（390）。双方都争相起飞飞机。
09:15日军两艘航母派出由18架战斗机、33架俯冲轰炸机和18架鱼雷机组成的联合编队，由高桥赫一海军少佐率领。美军的航母则各自展开攻击：约克城号派出6架战斗机、24架俯冲轰炸机、9架鱼雷机，09:15出发；列克星敦号则派出9架战斗机、15架俯冲轰炸机、12架鱼雷机，09:25出动。09:20到10:50之间TF17陆续回收了派出去侦察的飞机，10:12派出10架SBD进行反潜巡逻。双方的航母都转向对方，全速前进，以减少己方飞机返航时的飞行距离。但高木的南下在无意中让他进入了美军TBD的攻击距离之内；若非如此，这些TBD很可能要被迫返航，从而无法参加战斗。
约克城的SBD在10:32抵达日军航母，但没有立即发动攻击，而是等待较慢的TBD抵达，以进行共同攻击。此时双鹤距离约10,000碼（9,100），其中瑞鹤正为浓密的云层下的雨幕所覆盖。双鹤由16架直掩战斗机掩护。10:57约克城号的SBD中队开始对翔鹤發动攻击；翔鹤虽然进行了急速机动以回避，但依然被命中两枚1000磅炸弹，前甲板被撕裂，飞行甲板和停机甲板严重受损。约克城号的TBD中队的鱼雷全部射失。在交战中两架SBD和两架直掩零战被击落。
列克星敦的飞机11:30才抵达，然后展开攻击。两架SBD攻击了翔鹤，一枚1000磅炸弹命中，为翔鹤再添一道伤口。另外两架攻击了瑞鹤，但没有命中。列克星敦的其他SBD在浓密的云层中无法找到日军航母。列克星敦的TBD对翔鹤發射11枚鱼雷，但依然全部射失。此时上空担任直掩的13架零战击落了3架野猫战斗机；不过日军的直掩战斗机宣称击落了24架美军飞机。
此时翔鹤的飞行甲板已经严重损毁，另有223名乘员或死或伤，这艘航母已经无力再进行飞行任务。城岛高次请求撤退，得到了高木的批准，12:10在驱逐舰潮号和夕暮号的陪同下向东北撤退。日军直掩战斗机的飞行员宣称共击落39架美军战机，自身只有两架零战被击落、两架受损；但美军在攻击中的实际损失只有约克城的两架SBD和列克星敦的3架野猫，不过在返航途中还有损失。
10:55列克星敦的CXAM-1雷达侦测到了68海里（126）以外日机来袭，并引导9架F4F起飞拦截。美国人对日本鱼雷机的高度严重低估，其中6架战斗机驻守在比敌机实际高度低得多的位置（2,500和8,000英尺（760和2,440）），使得日机从头上飞过（10,000和13,000英尺（3,000和4,000）），未能成功拦截。由于前一晚日军鱼雷机损失惨重，这次的攻击日机无力对两艘航母同时发动鱼雷饱和攻击。日军鱼雷机领队嶋崎重和海军少佐分配了14架鱼雷机攻击列克星敦号，4架攻击约克城号。在日军鱼雷机降低高度進入攻击位置时，一架F4F击落了一架日军鱼雷机，而在附近巡逻的8架约克鎮号的SBD则击落3架；与此同时，有4架SBD被护航的零战击落，机组人员总共8人全数战死。
日军于11:13开始攻击，此时两艘航母相距3,000碼（2,700）。美军护航舰艇开始奋力以防空火力迎击：围绕着约克鎮号的是巡洋舰阿斯托里亚号、波特兰号和切斯特号，以及驱逐舰拉塞尔号、哈曼号、埃尔林号；屏护着列克星敦号的则包括巡洋舰明尼阿波利斯号、新奥尔良号，驱逐舰戴威号、莫里斯号、安德森号和菲尔普斯号。攻击约克城号的4架鱼雷机全数射失，但另一边列克星敦号的转向半径比约克鎮号大得多，前去袭击的鱼雷机成功对其实施了钳形攻击。11:20列克星敦号命中两枚九一式鱼雷：第一枚卡在了左舷的航空燃油储存槽中，汽油蒸汽遂弥漫于各舱室，此时无人发觉；第二枚命中左舷主水管，使得前部3个锅炉舱水压降低，迫使舱内的锅炉停机。但列克星敦号此时依旧可以凭借剩下的锅炉达到24節（44每小時）的速度。两架鱼雷机将目标从列克星敦号转为明尼阿波利斯号，但没有命中。日军飞机有4架被防空火力所击落。
33架日军俯冲轰炸机为了從上风位置攻擊而轉彎，因此比鱼雷机晚了3、4分钟才开始攻击。日机从14,000英尺（4,300）开始俯冲，19架扑向列克星敦号，14架则以约克鎮号为目标。日军的战斗机与列克星敦号的4架直掩战斗机缠斗，成功掩护了俯冲轰炸机對列克星敦号的攻擊，但约克鎮号上空的两架战斗机成功干扰了攻击约克鎮号的日机。列克星敦号有两枚炸弹命中以及数发近失弹，12:33发生火灾。11:27约克鎮号飞行甲板中部被一枚250千克半穿甲炸弹擊中，炸弹成功穿透了4层甲板后引爆，对机库造成严重的结构损坏，66名船员阵亡或者重伤。多枚近失弹（可能达12枚）同样对约克城号水线下的船体造成破坏。约克鎮号有3座锅炉因为回火而被迫关闭，但30分钟后又重新开机。两架日军俯冲轰炸机被直掩的战斗机击落。
日军飞机相信他们已经击沉了两艘美军航母，开始撤退，但途中碰上了直掩战斗机以及SBD。在接下来的空战中，美军失去了3架SBD和3架F4F，换来了日军3架鱼雷机、1架俯冲轰炸机、1架零战被击落。12:00美日双方的攻击机群已经在各自的返航路上。在返航途中双方的机群擦身而过，又引发了多次交战。在保卫TF17的行动中美军损失了3架战斗机和6架SBD。
双方的攻击机群在12:50到14:30之间陆续回到各自的母舰。列克星敦号和约克城号尽管受到损伤，但依然能进行飞机降落作业。在回收的过程中由于种种原因，美军又损失了5架SBD，2架TBD和一架F4F；日军则损失一架零战，5架俯冲轰炸机和一架鱼雷机。着陆后的飞机中，又有3架零战，4架俯冲轰炸机和5架鱼雷机因为无法修复，被立即推进海裡。
随着TF17的回收作业的展开，弗莱彻评估了他目前的处境。返回的飞行员报告他们重创了一艘航母，但另一艘逃脱了攻击。弗莱彻自己这边则是两艘航母均已受损，而且战斗机损失尤其严重。由于尼奥肖号被击沉，燃料如今也成了问题。14:22费奇告知弗莱彻他收到了报告，称无线截获的通信告知日军还有两艘完好无损的航母。弗莱彻判断自己面临着日本人压倒性的空中优势，于是选择让TF17从战斗中撤退。他电告麦克阿瑟日本航母的大概位置，建议后者使用陆基飞机发动攻击。
14:30原向高木汇报，现在只剩下24架零战，8架俯冲轰炸机和4架鱼雷机可堪使用。高木对他的舰队的燃油存量非常忧虑：巡洋舰已经只剩下50%左右，驱逐舰则更是低到20%。15:00高木电告井上他成功击沉两艘航母，一艘约克城号，另一艘是萨拉托加级航母；但飞机损失严重，无力再为攻略部队提供空中支援。井上早些时候已经得知侦察机发现了克雷斯的舰队，此刻他下令入侵部队返回拉包尔，将MO作战推迟到7月3日，然后下令他的部队在东所罗门群岛集结，准备发起RY作战。瑞鹤和护航舰艇遂回到拉包尔，而翔鹤则返回日本。
列克星敦号上的损管队奋力扑灭了大火，让战舰重新恢复运作，但12:47一台没有人注意到的电动机产生的火花，点燃了弥漫在舰中控制室的汽油蒸汽，引发了大爆炸，燃起了大火，25人丧生。14:42发生了第二次爆炸，造成了另一场大火。第三次爆炸发生在15:25到15:38之间，船员报告火势已经无法控制。17:07列克星敦号船员开始弃舰。在所有乘员、包括费奇和船长都撤离后，驱逐舰菲尔普斯号19:15对着烈焰中的列克星敦号发射5枚鱼雷。列克星敦最终在19:52沉没（15°15′S 155°35′E﻿ / ﻿15.250°S 155.583°E﻿ / -15.250; 155.583）。全船2951名成员中，有216人伴随着列克星敦号长眠于海底，一同消失於海面上的还有36架飞机。其后菲尔普斯号和其它救援船只立即撤离，赶往与先行离开的约克城号会合。TF17随后退往西南。晚上麦克阿瑟电告弗莱彻，他派出了8架B17轰炸了运输船队，敌人已经往西北撤退。
当晚，克雷斯让燃油已经严重不足的霍巴特号以及引擎故障的沃尔克号离开前往汤斯维尔。他经由无线电通信已经得知日本人的船队已经离开，但因为不知道弗莱彻已经撤退，他一直让TF17.3在珊瑚海巡逻，以防日本人再度进攻莫尔兹比港。