美軍艦隊雖然在8月24日上午，就發現由龍驤號輕型航空母艦領軍的分遣艦隊，但因為研判日軍的正規航空母艦就在附近，龍驤號輕型航空母艦只是誘餌，因此遲遲沒有派出戰機發動攻擊。一直到中午過後，已陸續返回美軍航空母艦的偵察機，仍然沒有發現日軍的航空母艦，才讓美軍決定先攻擊龍驤號輕型航空母艦。
1942年8月24日下午的雙方艦隊的位置、情勢與航跡。
【雙方同時出擊】但在美軍艦隊派出企業號與薩拉托加號航空母艦上的戰機時，龍驤號輕型航空母艦也已經依計畫，於中午過後搶先一步讓戰機升空，前往攻擊瓜達康納爾島上的亨德森機場。同時日軍的航空艦隊，在翔鶴號與瑞鶴號兩艘航空母艦的領軍下也脫離主艦隊，進入作戰位置。而美軍雖然沒有找到日軍航空母艦的位置，卻仍不敢大意，預留了大批的戰機在飛行甲板上待命，只派出數量有限的戰機前往攻擊由龍驤號輕型航空母艦領軍的分遣艦隊。
1942年8月24日下午的雙方艦隊的位置、情勢與航跡。
【日軍發現美軍航空母艦】日軍戰機在8月24日下午，空襲亨德森機場，但並沒有造成太大的損失。在此同時日軍艦隊與美軍艦隊也越來越接近，日軍的偵察機終於早一步發現美軍的航空母艦，並成功回報給日軍艦隊。已脫離主艦隊進入作戰位置的日軍航空艦隊，翔鶴號與瑞鶴號航空母艦立刻調整航向，準備攻擊美軍艦隊。
1942年8月24日下午的雙方艦隊的位置、情勢與航跡。
【美軍擊沉龍驤號】正當日軍航空艦隊的兩艘航空母艦派出戰機升空，準備攻擊美軍艦隊的航空母艦時，之前美軍派出的戰機也已經飛抵目標海域，開始攻擊龍驤號輕型航空母艦。龍驤號輕型航空母艦很快多處中彈，上百名船員陣亡，並失去動力無法繼續前進。最後船員在龍驤號沉沒前棄船，護衛的驅逐艦救起船員後與利跟號巡洋艦轉向東航行，脫離戰場。
1942年8月24日下午的雙方艦隊的位置、情勢與航跡。
【美軍企業號航空母艦受創】下午4點左右，第一批升空的日軍戰機逼近美軍艦隊的航空母艦，美軍的雷達提早發現了日軍的進攻機群，除了讓戰機起飛攔截外，也立即讓飛行甲板上原本待命要攻擊日軍航空母艦的戰機緊急起飛。因為不知道日軍艦隊的正確位置，因此下令朝西北方搜尋，攻擊任何發現的日軍艦艇。第一波日軍戰機的攻擊主要集中在企業號上，總共擊中三枚炸彈，讓企業號暫時失去起降戰機的能力，並造成上百名船員死傷。
1942年8月24日下午的雙方艦隊的位置、情勢與航跡。
【日軍千歲號受重創】在日軍的航空艦隊讓戰機起飛發動攻擊時，前鋒艦隊與打擊艦隊則奉命向美軍艦隊的方向快速前進，希望能追上美軍艦隊，以巡洋艦與驅逐艦上的大口徑艦炮，一舉殲滅美軍的航空母艦。但美軍的航空母艦在遭到攻擊前緊急起飛的戰機，剛好正朝著西北方飛行，沿途搜索日軍艦隊的蹤影。一隊美軍戰機正好發現了日軍的打擊艦隊，立刻鎖定千歲號水上飛機母艦進行攻擊，造成千歲號重創。同時第二波的日軍戰機飛抵交戰海域時，美軍艦隊卻因遭到攻擊而進行了緊急閃避，因此多數日軍戰機撲空，未造成嚴重的傷害。日軍戰機反而因為中途的意外，又遭美軍戰機的攻擊，而蒙受了不少損失。
1942年8月24日午夜至25日清晨的雙方艦隊的位置、情勢與航跡。
【日軍艦隊放棄追擊】日軍的航空艦隊在成功攻擊企業號與薩拉托加號後，以為已經讓這兩艘航空母艦失去作戰能力，取得勝利，再加上已經損失不少艦載戰機，因此決定先行撤退。而奉命追擊美軍艦隊的先鋒艦隊與打擊艦隊，不斷加快速度向東南方航行，但直到午夜過後仍然沒有追上美軍艦隊，又擔心太靠近南方海域，在天亮以後會遭到美軍陸上基地起飛的大型轟炸機攻擊，因此最後放棄追擊，也向北折返。而美軍受創的薩拉托加號、企業號則在重返戰場的胡蜂號掩護下快速撤離戰場。
而日軍在判斷已使兩艘美軍航空母艦失去作戰能力以後，決定繼續讓登陸艦隊依原本的計畫登陸瓜達康納爾島，卻不知道薩拉托加號的損傷極為輕微，而受到重創的企業號也在緊急搶修後，於夜間恢復了戰機的起降作業。
1942年8月25日上午的雙方艦隊的位置、情勢與航跡。
【登陸部隊遭到重創】日軍的運輸艦隊在第8艦隊的掩護下，在8月25日早上，朝西南方前進，接近瓜達康納爾島，卻沒想到美軍的航空母艦雖然已經撤離戰場，一時無法支援瓜達康納爾島，但島上的亨德森機場卻已經進駐了陸軍航空隊的轟炸機。在得知日軍運輸艦隊逼近的情報以後，除了在瓜達康納爾島上的轟炸機起飛攻擊日軍的運輸艦隊外，在附近島嶼的美軍轟炸機也奉命前往支援。而由亨德森機場起飛的美軍轟炸機不止擊沉了運輸船金龍丸號，也重創護航的神通號輕型護衛艦，護航艦隊指揮官田中頼三並重傷陷入昏迷。
1942年8月25日上午的雙方艦隊的位置、情勢與航跡
【睦月號遭擊沉】被擊沉的金龍丸上載有上千名的日軍士兵，因此擔任護衛任務的驅逐艦睦月號立刻前往搜救生還的士兵。剛好前來支援的美軍轟炸機趕到，又擊沉了睦月號，由於最主要的運輸艦金龍丸號已經被擊沉，登陸作戰確定失敗。因此登陸艦隊決定放棄任務，轉向西北方撤退。兩天的東索羅門海戰終於告一個段落。
回顧整場海戰，美軍只有企業號航空母艦受損的情況比較嚴重，但很快就修復並回復戰力，損失約二十餘架飛機，而日軍則有一艘輕型航空母艦、一艘驅逐艦被擊沉，特別是日軍誤判情勢，讓登陸作戰繼續進行，使運輸船金龍丸號被擊沉，造成不少陸軍士兵的死傷。而千歲號水上飛機母艦與神通號輕型巡洋艦也遭到重創，並損失超過七十架飛機。日軍付出比美軍更高昂的代價，卻無法達成登陸的任務，也沒有改變戰場上的情勢，獲得任何戰略或戰術上的優勢，可以說是發動了一場徒勞無功的作戰。而美軍則是進一步消弱了日軍的航空戰力，瓦解日軍登陸瓜達康納爾島的威脅，為接下來的勝利鋪平了道路。
而很快地，日軍艦隊將捲土重來，雙方爆發「瓜達康納爾島海戰」（未完待續）。
