珊瑚海海戦
日没6分後、高橋少佐/艦爆隊長は爆弾を投棄して帰投を命じ、約40分後に空母2隻を発見して「着艦ヨロシキヤ」と信号を送った。「着艦ヨロシイ」の返答があって九九艦爆がヨークタウンとレキシントンへの着艦体勢に入ったところ、日本軍・アメリカ軍双方が相手の正体に気付いた。上空には日本軍艦爆隊の他にアメリカ軍戦闘機隊も着艦のため空中待機しており、日本軍艦爆隊は母艦へ戻るF4Fを味方機と誤認してついてきたという見解もある。ヨークタウンのデイヴィス砲術長は、「総員、斬り込み隊に備え」という命令を出したが、既に爆弾を捨てていた日本軍艦爆隊は退避しアメリカ軍戦闘機の追撃を振り切って帰投した。高橋少佐は着艦すると翔鶴幹部にアメリカ軍の機動部隊「サラトガ型空母、ヨークタウン型空母、戦艦1隻」が100浬(185km、九七艦攻で30分)で行動していることを訴えている。また、すでに日が暮れており、夜間着艦により12機を損失し、無事帰還したのは6機のみとなった。
日本軍MO機動部隊の薄暮攻撃は、艦爆12機中1機(瑞鶴1)、艦攻15機中8機(瑞鶴5、翔鶴3)を喪失、他にも被弾機を出して失敗した。MO機動部隊の使用可能航空戦力は、空母瑞鶴(零戦19、艦爆14、艦攻12)、翔鶴(零戦18、艦爆19、艦攻14)の合計96機、第17任務部隊は空母ヨークタウン(艦戦14、艦爆32、艦攻9)、レキシントン(艦戦17、艦爆34、艦攻12)の合計118機となり、航空戦力比で逆転していた。
第五航空戦隊の航空戦力は空母1隻につき零式艦上戦闘機18、九九式艦上爆撃機18、九七式艦上攻撃機18、第五戦隊(妙高、羽黒)は各艦零式水上偵察機1機、九五式水上偵察機2機を搭載している。MO機動部隊はラバウルに第二十五航空戦隊の零戦9機を輸送するため寄り道したが、悪天候により2度にわたり引き返したため、5月3日に輸送の中止を決定した。
MO攻略部隊には軽空母祥鳳(零式艦上戦闘機10→5/2事故で9機、九六式艦上戦闘機4、九七式艦上攻撃機6)が護衛についていたが、作戦会議で公然と反対した杉山利一(祥鳳飛行長)のように多くの者が軽空母1隻の護衛には限界があると感じていた。もっとも、日本軍は空母レキシントンを既に撃沈したか本国修理中であると推定しており、仮に珊瑚海に米空母が出現するとしても空母サラトガ1隻と判断している。鹿島に座乗した井上ら第四艦隊司令部は4日にラバウルへ到着した。以後井上はラバウルの鹿島艦上からMO攻略部隊・MO機動部隊・援護部隊・ポートモレスビー攻略部隊を指揮した。
第17任務部隊を発見した翔鶴索敵機(菅野機)は帰投中に日本軍攻撃隊69機と合流し、反転して攻撃隊を第17任務部隊へ誘導した。菅野機は増槽を装備しておらず、燃料切れを覚悟の行動であった。午前9時15分 (11:05)、日本軍攻撃隊69機は母艦を発進して約2時間後に第17任務部隊を視認した。第17任務部隊は日本軍MO機動部隊とは対照的に、それぞれの空母を中心に2つの輪形陣を形成している。「レキシントン」のレーダーは20分前から日本軍攻撃隊を捉えていたが、戦闘機隊との連携ミスで有効に生かせなかった。この時、第17任務機動部隊上空にF4Fワイルドキャット8機があり、空母2隻の飛行甲板で合計9機が待機、艦隊に残されたSBDドーントレス23機のうち16機(ロジャー・ウッドハル大尉)が空中待機している。SBDは雷撃隊阻止のために海面付近に配備されていたが、日本軍雷撃隊の速度をTBDデバステーターと同じ程度と想定しており、TBDより高速の九七艦攻が頭上を通過するのを見送るしかなかった。雷撃隊の阻止に失敗したウッドハル隊は零戦隊と交戦、零戦4機撃墜を主張し、SBD 4機が撃墜された。
最初に瑞鶴の雷撃隊8機が空母ヨークタウンを、翔鶴の雷撃隊10機が空母レキシントンを狙った。瑞鶴雷撃隊はF4F 2機に攻撃され、第二中隊から井手原機が撃墜され、第二中隊はヨークタウンを攻撃できなかった。ヨークタウンは嶋崎少佐以下4機の九七艦攻を迎撃、対空砲火で樋渡機を撃墜し、投下された魚雷4本も全て回避した。
連合国軍は、米豪連絡路の確保、南太平洋進出阻止を重視し、南太平洋方面に主として米陸海軍兵力を急速増強していたが、日本海軍の暗号を解読し、軽空母祥鳳と大型空母2隻を含む攻撃部隊に護衛された輸送船団が珊瑚海に進出することを知った。
この情報を得たアメリカ海軍は、第11任務部隊(空母レキシントン基幹)と第17任務部隊(ヨークタウン基幹)を邀撃のために派遣した。またドーリットル空襲を敢行した空母2隻(ホーネット、エンタープライズ)も、真珠湾で補給を終えた後に珊瑚海へ派遣した(海戦には間に合わず)。