哈尔西指挥其战列舰部队向南推进之际，第38特遣舰队下属的第3与第4支队持续对小泽舰队发动攻势。随后，该部队迅速策划了当日的第二轮攻击，并进一步筹备了规模最为宏大的第三轮攻击，然而，这一战役在历史上常因对第二轮及最终轮攻击的忽视而留下遗憾。

这或许源于其他事件分散了对这两轮攻击紧迫性的关注，亦可能涉及其他因素。第三轮攻击动用了约200架舰载机，就整场战争而言，此规模并不显著。美军当天总共出动了527架次飞机，其中431架次参与攻击，宣称击中目标153枚航弹或鱼雷，但该数据存在疑问。

在第三轮攻击中，约四分之三的舰载机及其机组人员已参与首轮攻击。这些飞机于11时45分至12时起飞，并于大约13时10分抵达目标区域。休·温特斯海军中校，来自“列克星敦”号，指挥了此次攻击，并成为极少数目睹三艘日本航母沉没的美军官员之一。“列克星敦”号的舰载机针对“瑞鹤”号发起攻击，同时，“埃塞克斯”号的舰载机集中火力攻击“瑞凤”号，而“兰利”号的舰载机则分别攻击两艘日本航母。“瑞鹤”号至少遭受了3枚鱼雷的打击，有资料表明其当天被多达6枚鱼雷和7枚航弹击中，其中大部分应是在第三轮攻击中命中。遭航弹袭击后，“瑞凤”号燃起大火，但损管团队迅速控制了火情。然而，“瑞鹤”号迅速丧失动力，并向左舷倾斜约20度。温特斯随即命令“企业”号、“富兰克林”号和“圣哈辛托”号的舰载机集中火力再次攻击“瑞凤”号。“瑞凤”号再次起火，但当美军舰载机返航时，该舰仍能以自身动力向北航行。至13时58分，舰长下达了弃船命令。瑞鹤号航母，犹如一位历经偷袭珍珠港及太平洋战争中诸多重大战役的老将，于14时14分缓缓倾覆，与船上843名官兵一同消逝于深海。随后，于15时26分，祥凤型航母瑞凤号亦显现沉没迹象，直至当日第四波舰载机攻击阵位形成前，终未能幸免。瑞鹤与瑞凤两舰均在未发生爆炸或火灾的情况下，静默地沉入海底。瑞凤号上847名官兵获驱逐舰桑号救援，另有98人由伊势号救起。在对这两艘日本航母实施最终打击之际，美军战略部署出现调整。米切尔于13时30分决定，两航母支队停止北进，彼时它们与日舰保持约60海里距离。鉴于缺乏战列舰支援，米切尔及第34特遣舰队巡洋舰、驱逐舰指挥官均提高了警觉。温特斯指挥的机队已在日舰上空盘旋逾六小时，并报告称两艘驱逐舰正在援救瑞鹤与瑞凤号的幸存者。鉴于美军轻巡洋舰部队追击日军战列舰并无直接威胁，米切尔于瑞鹤号沉没15分钟后，即14时29分，下令巡洋舰部队北上。由4艘巡洋舰与12艘驱逐舰组成的编队，以25节航速全速前进，辅以航母舰载机提供掩护与侦察，同时派遣6架翠鸟式水上飞机搜寻落水飞行员。其间，科腾号救起两名落水飞行员，卡拉汉号与布朗森号各救起一名。在温特斯的引领下，美军部队最终锁定千代田号，此乃温特斯于返航列克星敦号途中之意外发现。温特斯确认千代田号孤立无援，并亲自担任空中侦察任务。随后，新奥尔良号与威基塔号于16时25分，在距离目标约10海里处开火；而莫比尔号与圣菲号则更进一步，于7.5海里距离上展开攻击。整个攻击过程持续约15分钟。在16时42分，美军驱逐舰接收到命令，向“千代田”号发起最终攻势。至16时47分，“千代田”号开始向左舷倾斜，并于16时50分，即驱逐舰发射鱼雷之前，自行沉没。现场升腾起大量烟雾与火光，船只残骸散落海面。对于“千代田”号上可能存在的幸存者，美军驱逐舰并未采取救援行动。随后，杜博斯指挥官重新整编巡洋舰与驱逐舰部队，继续向北推进。与此同时，美军航母针对北方机动部队本队展开了两次进一步的攻击。16时之后，美军航母派遣了98架舰载机，这是日落前的最后攻击窗口。这些飞机在抵达敌阵上空时，协同作战能力却表现欠佳。一个舰载机大队声称成功命中一艘战列舰至少13枚航弹，综合全天记录，一艘战列舰遭受至少22次打击，另一艘则遭受15次，其中7次为鱼雷攻击。此次攻击中，13架复仇者式鱼雷轰炸机中仅有3架装备鱼雷，因此未能对“日向”号和“伊势”号造成显著损害。“日向”号于15时10分最后一次被航弹击中，“伊势”号的左舷弹射器也遭到摧毁。战报显示，一艘巡洋舰遭受“不可逆转的破坏”，同时，“兰利”号的一架舰载机声称在低空轰炸中命中一艘日军驱逐舰，但未有目击者证实该船沉没。在“大淀”号上的小泽首席参谋大前敏一海军大佐对此提出异议，他认为这些攻击仅造成轻微损伤，多为近失弹。由于部分日军舰艇北上，延误了战况报告。两架隶属“埃塞克斯”号的夜间战斗机引领巡洋舰部队发现了日军驱逐舰“初月”号、“若月”号和“桑”号，它们位于“千岁”号沉没点以北约35海里处。日落后约30分钟，美军巡洋舰部队通过雷达探测到日舰，距离约为17英里。18时51分，美军发起攻击。一艘日军驱逐舰率先北撤，其余两艘紧随其后。美军重巡洋舰部队试图拦截并捕捉第一艘撤离的敌舰。在恩加诺角海战中，尽管美军“威基塔”号驱逐舰以30节的航速全力追击，日军舰艇仍于19时06分成功脱离接触。随后，剩余的两艘日军驱逐舰中，一艘在美军追兵抵达前成功逃脱，而另一艘“初月”号则在19时11分遭到美军攻击。面对威胁，“初月”号采取了一系列灵活的转向动作，并释放烟雾以图延缓美军的追击步伐。19时29分，三艘美军驱逐舰试图逼近并实施鱼雷攻击，然而直至20时12分，当“初月”号因遭受炮火打击而减速时，美军才在3.36海里的距离上发射了鱼雷，遗憾的是，此次攻击未能奏效。日军驱逐舰继续奋力反击，双方炮战持续了超过20分钟。随着“初月”号航速降至10节，美军驱逐舰得以逐渐逼近，并在一发照明弹的照明下，向该舰倾泻了大量炮弹。随后，美军“波特菲尔德”号驱逐舰奉命以鱼雷终结“初月”号的命运，并于20时57分迅速逼近目标。令人遗憾的是，在鱼雷发射之前，“初月”号已发生剧烈爆炸，并于20时59分沉没。在战斗过程中，“初月”号曾多次尝试对美军“圣菲”号进行跨射，但均未命中。其顽强的抵抗以及其余两艘日军驱逐舰的成功逃脱，均超出了美军的预期。随着“初月”号的沉没，恩加诺角海战宣告结束。在当天剩余的时间里，该海域仍发生了三起重要事件。随着“初月”号与美军巡洋舰部队战斗的落幕，美军夜间战斗机在北方海域发现了两股日军舰艇部队，最近的一股距离约50海里，且正以约20节的速度航行。鉴于夜间条件限制，美军在短时间内无法捕获其中任何一股日军舰艇。最终，在21时50分，即重新整队20分钟后，美军巡洋舰部队决定掉头南下，与航母会合并接受补给。

与此同时，小泽已决定转向南下。他在19时15分接到“初月”号的紧急电报后，便带着旗舰“大淀”号、战列舰“日向”号、“伊势”号以及驱逐舰“霜月”号掉头航行。小泽此举的目的难以捉摸，他对“初月”号的遭遇并未采取任何保护措施，这与哈尔西数小时前对金凯德的态度如出一辙。在恩加诺角海战的紧张局势中，日方决定维持对该区域的深入搜索。直至午夜时分，除“若月”号顺利归队外，未发现其他任何新动态，随后小泽舰队调整航向，继续北上。在此关键时刻，发生了海战中唯一一起涉及美军潜艇的重要事件：“白仿石鲈”号潜艇凭借其雷达技术，成功击沉了日军“多摩”号轻巡洋舰。“多摩”号在当日早些时候受损并脱离战斗序列，正驶向奄美大岛进行修理。晚上20时04分，“白仿石鲈”号在执行首次战斗巡航时，通过雷达锁定了一个目标，距离约为约13海里。随后，该潜艇向同一编队内的“后鳍锥齿鲨”号和“叶鲹”号通报了情况，并率先逼近日军巡洋舰编队，而“后鳍锥齿鲨”号则调整位置向北移动。在月光的照耀下，“白仿石鲈”号通过目视确认了目标为一艘战舰。22时42分，该潜艇下潜并接近“多摩”号，最终确认为轻巡洋舰。不幸的是，“白仿石鲈”号的鱼雷发射管舱门发生故障，仅能通过舰艏鱼雷发射管发射三枚鱼雷，其中一枚不幸提前爆炸。面对这一情况，“多摩”号驶向爆炸点，而“白仿石鲈”号则迅速调整位置，利用艇艉鱼雷发射管进行攻击。当两舰相距约0.35海里时，“多摩”号试图转向规避，但“白仿石鲈”号抓住时机，再次齐射三枚鱼雷，分别命中舰桥前、舯部和后桅杆附近，导致“多摩”号迅速沉没。此外，还有其他美军潜艇参与了此次巡航行动，而“庸鲽”号则卷入了一桩离奇事件，一度被误认为击沉了“秋月”号。可见，“多摩”号成为了恩加诺角海战中唯一一艘被美军潜艇击沉的日军战舰。与此同时，在战场的北部，小泽舰队成功扮演了诱饵角色，吸引了米切尔航母部队的火力，并导致其四艘航母被击沉。而在中路，第77特遣舰队第4支队第3分遣舰队与栗田部队之间爆发的萨马岛海战，则成为了一场异常激烈的战役。这不仅因为六艘护航航母在遭遇敌军战列舰的猛烈炮火后，竟有五艘得以幸存，更因为难以找到与之相媲美的战例。针对此次战役，美军部队指挥官的评价尤为精准且深刻。9时25分，当指挥官仍全神贯注于规避鱼雷的威胁时，舰桥附近的一名电报员突然大喊：“天啊，小伙子们，他们正在离开！”尽管难以置信，但眼前的事实确乎如此——整个日本舰队正在撤退。

随后，盘旋在空中的飞机传来的一系列报告进一步证实了这一消息。然而，这一事实对于因长时间战斗而精神麻木的指挥官而言，却难以立即接受。他原本以为，最好的结果或许是船只被击沉，而自己能够侥幸落水求生。事实却远超预期。美国护航航母部队在经历如此猛烈的攻击后，竟然大体上仍然保持完好，且具备起降舰载机的能力。这一非凡的成就无疑令人震惊。而接下来发生的事情，则更加令人难以置信，且可分为两个重要阶段。一系列复杂的事件和决策对栗田的命令产生了深远影响，这些事件和决策共同促使他做出了向西南方向转向莱特湾的决定，随后又进行了第二次转向，最终导致栗田所部在大约21时40分通过圣伯纳迪诺海峡，并引发了“神风”飞机对第77特遣舰队第4支队第3分遣舰队的突击。