在火势持续扩张并相继触发不同弹药架上的弹药后，轻型航母“普林斯顿”号动力丧失，逐渐转为随风漂流的状态。

舰队内的轻巡洋舰“雷诺”号、驱逐舰“欧文”号及“莫里森”号迅速响应，前往评估并援助受损航母。鉴于“普林斯顿”号因连续爆炸而陷入极度困境，支队司令谢尔曼果断指令轻巡洋舰“伯明翰”号驶近受损航母，以提供紧急支援。救援行动面临的首要挑战并非来自落水的舰员，而是航母在漂流中持续变化的剧烈摇摆，这使得救援舰艇难以保持稳定的靠近状态。

航母上凸出的炮台结构对靠近的友舰构成了严重的碰撞威胁。此外，救援舰艇首次实施的灭火作业效果欠佳，原因在于它们处于逆风位置，导致水柱喷射受到严重阻碍。同时，驱逐舰也难以从逆风侧接近航母，因为高温环境和浓烟密布极大地妨碍了救援工作的进行。时至11时，“伯明翰”号的灭火行动逐渐步入正轨，它从航母的前端开始，逐一将水柱喷洒至舰尾。随后，“伯明翰”号上的志愿者队伍开始登上“普林斯顿”号展开进一步救援。但是，四小时后，驱逐舰“莫里森”号在救援过程中不幸被“普林斯顿”号的烟囱卡住。此时，日机的来袭迫使救援舰艇分散规避。日机攻势消散后，美军决定将受损航母拖往乌利西环礁进行进一步处理。很快，一个棘手的问题浮现：位于“普林斯顿”号舰尾附近的火焰始终未能得到有效控制，且因美军需应对日机进攻而浪费了宝贵时间，火势在此期间持续加剧。“莫里森”号因缺乏足够长度的水管而无法有效应对这一火势。在救援舰艇第三次尝试后，15时15分，“伯明翰”号成功将一条缆绳投掷至“普林斯顿”号上。但就在15时23分，“伯明翰”号试图将缆绳固定在航母左舷舰尾时，火势已蔓延至机库后方的右舷储藏舱，该舱内存有大量鱼雷气瓶及备用航弹。火势的迅速扩散对“普林斯顿”号造成了毁灭性打击，舰尾部分遭受重创。然而，“伯明翰”号受到的损伤更加惨重，其主甲板上，原本密集站立的人员——无论是奋力救火的舰员、紧张操纵防空火炮的战士，还是准备执行拖船任务的队员——均被突如其来的灾难一扫而空。“伯明翰”号上发生的悲剧，成为了所有回顾这段历史的人无法绕过的沉重话题。据统计，该舰共有229人阵亡，420人受伤，其中重伤者高达219人。就在几分钟前，“伯明翰”号还积极响应了“普林斯顿”号的救援请求，准备伸出援手将其拖离险境。然而，此刻的它已无力完成这一使命。16时04分，人们无奈地发现，“火势已经取得了决定性的胜利”。由于护航舰艇中无一具备将其拖离的能力，且火势正不断向储油槽和弹药库逼近，美军最终做出了弃舰的艰难决定。

与此同时，16时45分，米切尔向谢尔曼明确指出，航母舰队必须立即向北机动，因为“普林斯顿”号的最后时刻已经降临。谢尔曼果断命令部队使用鱼雷将其击沉，由“欧文”号负责执行这一致命任务。由于鱼雷射击指挥仪在之前的冲撞中受损，六枚鱼雷中仅第一枚在17时06分准确击中了航母。另有两枚鱼雷在中途突然改变方向，向驱逐舰袭来，但“欧文”号凭借敏捷的操纵，在距离危险不到10码的关键时刻避开。随后，“雷诺”号在17时46分上前发射了两枚鱼雷。第一枚鱼雷命中了“普林斯顿”号前部航空燃油槽的底端，引发了由大约十万加仑航空燃油所带来的巨大爆炸。这场爆炸直接将航母撕成了碎片，使其在一分钟之内便沉入了海底。而在它的葬身之地上空，一团巨大的蘑菇云腾空而起。当第38特遣舰队第3支队深陷苦战之时，战斗的局面也呈现出了三个不同的发展支线。其中一条支线发生在10月24日早晨，当时不同的航母战斗群正在收缩集结的过程中。由于航空兵力量相对薄弱，第38特遣舰队第4支队接到了支援第2支队的紧急命令。在第2支航母编队中，其战斗力相较于其他两支明显较弱，且地理位置最为接近圣伯纳迪诺海峡。这一布局在整体上为西村舰队和志摩舰队创造了有利条件，使它们在午后时段能够顺利穿越苏禄海，未受到有效阻挠。美军方面，金凯德舰队及其支援编队已在莱特岛附近海域集结完毕，并未因当前形势的暂时平静而放松警惕。他们已做好充分准备，随时可进入苏里高海峡，占据有利位置以待时机。在当天早晨的一系列行动中，美军对于日军航母编队的具体位置的猜测逐渐成为了战略判断中的一大障碍。当时，小泽舰队已悄然抵达吕宋岛东北部的某个位置，其初衷在于分散并吸引美军的主要注意力。颇具讽刺意味的是，吕宋岛上的空中力量与受损的“普林斯顿”号航母，竟意外地将美军的一个航母战斗群牵引至远离小泽舰队真正所在区域的方向，而这一区域原本为搜寻小泽舰队的最佳位置。日军第二航空舰队对美军航母的主动出击，以及小泽试图将美军舰队注意力从圣伯纳迪诺海峡引开的策略，其根本目的在于间接支援栗田舰队的行动。但由于日军战机数量有限、性能不足以及战术执行上的欠缺，其海军打击舰队难以获得持续有效的近距离空中支援。因此，日军决定采取冒险策略，向美军航母编队发起攻击，意图诱使其向北航行，从而为正在向莱特湾挺进的栗田舰队提供掩护。10月24日拂晓时分，小泽舰队派遣战机执行搜索任务，但未能发现谢尔曼的特遣支队。9时10分，小泽接获一架陆基战机的报告，报告中指明了美军航母编队的具体坐标。为确保情报的准确性，小泽再次派出侦察机进行确认。直至11时15分，小泽终于确认了报告的真实性，并随即下令发动莱特湾海战中唯一一次舰载机攻击行动。11时45分，日军航母上的战机依次起飞，正式拉开这场关键战役的序幕。在小泽的初始战略构想中，起飞的战机编组需囊括6架鱼雷轰炸机、28架俯冲轰炸机、40架零式战斗机以及2架侦察机。这一配置已近乎日军舰载机编制的极限。实际参战的日军战机数量为62架，并分为两个编队进行部署。三艘轻型航母——“千岁”、“千代田”与“瑞凤”号共同提供了战机支援。其中，“千岁”号释放了7架零式战斗机与2架零式战斗轰炸机，“千代田”号则起飞了5架零式战斗机与4架零式战斗轰炸机，而“瑞凤”号则升空了8架零式战斗机与3架零式战斗轰炸机。此外，尚有4架天山式鱼雷轰炸机从“千岁”号或“瑞凤”号（或两者皆有）上起飞参战。“瑞鹤”号航母同样贡献颇丰，提供了10架零式战斗机、11架零式战斗轰炸机、6架天山式鱼雷轰炸机和2架兼具侦察任务的彗星式俯冲轰炸机。在如此大规模的战机起飞后，日军航母编队剩余的舰载机数量已极为有限，这从根本上削弱了其进攻与防御能力。更为紧迫的是，在12时45分左右，美军轻型航母“兰利”号在105海里外发现了逼近的日机编队。随后，“兰利”号的4架舰载战斗机和“埃塞克斯”号起飞的8架战斗机迅速向035方位机动，双方随即展开激烈的空中交锋。此次空中冲突导致日军损失惨重，近三分之一的战机被击落。轻型航母编队损失了6架零式战斗机、1架零式战斗轰炸机和4架天山式鱼雷轰炸机；而“瑞鹤”号航母则失去了2架零式战斗机、5架零式战斗轰炸机和1架天山式鱼雷轰炸机。仅有3架日军战机得以返回其所属航母，分别是来自“千岁”号的1架零式战斗机和1架天山式鱼雷轰炸机，以及来自“千代田”号的1架零式战斗轰炸机。其余39架战机则飞往吕宋岛机场。还有1架来自“瑞鹤”号的零式战斗轰炸机意外飞往了台湾岛。日军在战机配置与运用上虽力图达到极限效能，但在实战中却遭遇了严重损失，导致其航母编队的整体作战能力大幅下降。此次空中冲突，美军确认了日机的海上来源，而非吕宋岛。空战期间，美军飞行员报告称，交火的日机装备有尾钩。小泽舰队通过昨日全天及今日清晨的无线电传输，成功吸引了美军的关注，至此已圆满达成其预定目标。美军已确认小泽舰队的存在，因此，哈尔西指挥的第38特遣舰队的注意力焦点已发生变化。一方面需应对东北方向的小泽航母舰队，另一方面则需面对位于锡布延海的栗田打击舰队。战斗的第三条战线始于当日8时至9时，此时美军的主要攻击对象为栗田舰队，并取得重大胜利。在第一波美军攻击中，日军重巡洋舰“妙高”号即遭受鱼雷打击，右舷两根传动轴受损，航速骤降至15节。舰长及其参谋转移至“羽黑”号，“妙高”号则单独返回文莱，随后前往新加坡，全程无驱逐舰护航。“大和”号战列舰亦在战斗中受损，一枚航弹击中其左舷水线附近，凿出大洞；另一枚航弹则穿透前部所有甲板后爆炸，导致约3000吨海水涌入舰体。“大和”号在第三波美军攻击中侥幸避过重击，仅受轻伤。

战列舰“长门”号在第四波和第五波攻击中各中一枚航弹，均位于船腹。同时，“榛名”号至少遭到五枚近失弹的攻击，受损较轻。这些记录更为贴近史实，但鲜有人能准确审视其细节，一般以下战果更加贴切。据第38特遣舰队第2支队报告，一艘大和级战列舰被三枚鱼雷击中，其姊妹舰则遭受一枚鱼雷和两枚航弹的打击。一艘长门级战列舰遭受了一枚鱼雷与两枚航弹的打击；一艘金刚级战列舰则不幸被两枚鱼雷及六枚航弹击中；另有一艘最上级巡洋舰，其沉没的可能性极高，疑为遭受了一枚鱼雷的直接命中。此外，那智级与利根级两艘重巡洋舰也分别遭受了一枚鱼雷的攻击。第38特遣舰队第4支队提交报告称：一艘大和级战列舰极有可能已被击沉，而其姊妹舰亦遭到至少三枚鱼雷与四枚航弹的袭击；同时，一艘金刚级战列舰被一枚航弹击中，一艘重巡洋舰受损，一艘轻巡洋舰及一艘驱逐舰被击沉，另有一艘驱逐舰可能也已沉没，还有四艘驱逐舰遭受了不同程度的损伤。第38特遣舰队第3支队则发布声明，指出一艘战列舰遭受了重创，另有两艘战列舰受伤；四艘重巡洋舰与两艘轻巡洋舰亦遭受了打击。然而，这些报告及其传播过程中形成的版本存在夸大之处，导致美军在短时间内难以准确整理和估算实际战果。这种局限性进而使得哈尔西将军轻信了栗田舰队已被完全摧毁的误报。相较于指挥上的统一与协调，三条支线的排列顺序以及不同波次进攻中美军战机的规模和类型，在当日的作战中并非决定性因素。但事实上，在日军战术调整——即栗田健男将两个编队由游击部队转变为打击舰队时，美军各支队之间已出现了些许差异。作为先头部队，栗田健男的第一部队与铃木义尾的第二部队相距12千米，均采用了双环状阵型：内环直径4千米，由战列舰和巡洋舰构成；外环直径7千米，由驱逐舰组成；旗舰位于阵型中心，受到内外两环的严密保护。在10月24日当天，美军共发动了四波进攻。第一波进攻由21架地狱猫式战斗机、12架地狱俯冲者式俯冲轰炸机和12架复仇者式鱼雷轰炸机组成，大约在9时10分分别从第38特遣舰队第2支队的“无畏”号与“卡伯特”号航母上起飞，于当日上午10时26分，率先对日军舰船发起了猛烈的空中打击。紧接着，第二波攻势于10时45分紧随其后。此次出击，共计19架地狱猫式战斗机、12架地狱俯冲者式俯冲轰炸机以及11架复仇者式鱼雷轰炸机，再度从“无畏”与“卡伯特”的甲板上起飞，于两小时后向日舰发起了更为猛烈的攻势。

随后，第三波攻击任务的重任由第38特遣舰队第3支队的“埃塞克斯”号与“列克星敦”号航母承担。该波次编队规模庞大，包含16架地狱猫式战斗机，以及多达20架地狱俯冲者式俯冲轰炸机和32架复仇者式鱼雷轰炸机。这些战机于10时50分起飞，终在当日13时30分，向日舰发起了决定性的打击。而最后一波，也即第四波次的进攻，更是将这场空中战役推向了高潮。此次行动汇聚了42架地狱猫式战斗机、33架地狱俯冲者式俯冲轰炸机和21架复仇者式鱼雷轰炸机，其中，26架地狱猫、21架地狱俯冲者及18架复仇者源自第38特遣舰队第4支队的“富兰克林”号与“企业”号航母，其余战机则继续由“无畏”与“卡伯特”号提供。这批战机于13时13分从航母上起飞，最终在14时15分向日舰发动了最后的进攻，为这场战役画上了浓墨重彩的一笔。