袭击历时将近半个小时，造成了严重损失。关于关岛战役的最初战报没有透露损失和伤亡情况。曰本飞机刚一走远，海军陆战队航空兵司令就发出一份电报：“命令战斗机着陆。按队分头加油。第五队先降。”两架飞机按照命令在机场跑道上着陆，滑行到机库前，机库已被炸得粉碎，大火熊熊。23架“云雀”飞机有15架失踪，有7架遭重创，东一架西一架地瘫在地上。同曰本人进攻机群的遭遇战是在离关岛35公里的上空进行的。后来听说，防空部队和“云雀”战斗机共击落曰本飞机50多架。在力量对比悬殊的情况下，这样的战绩是相当可观的。这时，人们都钻出掩体收拾死伤的防空部队士兵。仓库被炸毁了，遍地是罐头香烟。人们先紧着急需的做些修补。关岛的驻防官兵一边忙着打扫废墟，一边不安地看着完好无损的机场跑道。曰本人轰炸其他设施，想压制地面炮火，断绝关岛飞机的一切供给，但对这些修复费力的机场跑道，他们却格外小心，一点也没动，因为他们打算以后自己使用。
从关岛起飞的飞机先后于8时10分，8时11分，8时30分和8时34分攻击曰本舰队，大约相差一刻钟或半小时。四个机群相继从关岛起飞了。第10机群是六架“天鲛”鱼雷飞机，由李华林中尉指挥。第二机群是陆军的15架“快刀”轰炸机，由王威中校指挥。第三机群是4架“天袭”战术攻击机，每架携带一枚鱼雷，由林兰成上尉带队，第四机群是16架“天鲛”俯冲轰炸机，由徐德林海军中校带队，还有由霍万里海军中校指挥的11架“天鲛”俯冲轰炸机。
李华林率领的6架鱼雷飞机首先赶到目标上空。沈鸿烈命令要击中曰本航空母舰。曰本航空母舰在航行中有一群战斗机保护，而且周围簇拥着巡洋舰和驱逐舰。鱼雷飞机下降到60米，勇敢的开始了攻击。但曰本战斗机很多，5架鱼雷飞机都被击落了。其中有两架还没有来得及发射鱼雷。曰本飞行员和他们的敌手一样，作战非常勇猛，一直飞到自己舰队炮火的射界之内追击鱼雷飞机。
中国陆军的四架“快刀”轰炸机赶到攻击目标时，鱼雷飞机的攻击已经结束了。“烈风”战斗机向他们猛扑过来。林兰成下令俯冲，投掷各机携带的鱼雷。他自己在距离为七百米，高度是70米时，朝一艘航空母舰发射了鱼雷。机队副队长莫云升中尉也跟着投了鱼雷。这两架鱼雷飞机转到航空母舰的船头，穿过密集的弹雨，几乎垂直向上飞去。林兰成的飞机起落架被打碎了，莫云升的后机枪手被打死，飞机发动机起火。另一架“快刀”栽进了大海。遭受攻击的航空母舰被击中了，它向右来了个大转弯。这艘航空母舰是“葛城”号。曰本舰队的队形开始乱了。
几分钟过后，徐德林中校率领的16架“天鲛”俯冲轰炸机出现在空中。这个飞行大队有10名飞行员是一个星期前才参加飞行大队的，他们对俯冲轰炸几乎一窍不通。为此，徐德林决定用“下滑”轰炸代替俯冲轰炸。机队划了个大圈爬上高空。“在攻击前的几分钟，我数了一下，有六十三艘军舰”，一个飞行员讲述道：“高射炮向我们开炮，打得很准，与此同时，一大群‘烈风’战斗机也向我们围攻过来。我简直都要吓死了……”徐德林正要下滑的时候，他的飞机中弹坠落了。王登云上尉马上接替他，率领全队向“云龙”号航空母舰驶去。“天鲛”轰炸机群继续缓缓下降，可它们下方的“云龙”却急剧转舵作机动航行，只见临近的护卫舰象躲避一只发疯的大熊一样离得远远的。好几架“天鲛”在侧滑时，中弹起火，坠入大海。没有中弹的轰炸机一直下降到150米，把炸弹朝“云龙”号一倾而尽。有三颗炸弹落在航空母舰甲板上，冲起一般股烟雾。每当一架轰炸机投完炸弹又拉起来时，一群“烈风”战斗机就向它扑过来。另一个飞行员说：“我们的飞机同八架‘烈风’战斗机搏斗。我的右腿中弹。空气涡流把血卷到我的眼镜上，我几乎看不见周围的情况。飞机的尾翼上打了个大窟窿，我的无线电报机被打坏了，机上所有的工具都血迹斑斑。由于我没有别的事可干，就想修修油路。最后发动机也不转了。飞机掉在海上，跌得很厉害，可是却漂浮着，这样我们才把橡皮筏浮放到海面上。”轰炸机飞行大队的战斗前后共进行了12分钟。16架“天鲛”俯冲轰炸机，只有8架返回了关岛，其中两架也是彻底损坏了。
王威中校率领的15架“快刀”轰炸机是在霍万里海军中校指挥的11架“天鲛”机群之前赶到目标上空的，15架“快刀”是从高空投掷了炸弹，虽没有击中目标，却把曰本舰队冲得七零八落。“天鲛”机群刚一赶到，就遭到盘旋在航空母舰上空的“烈风”战斗机群的决死抵抗，霍万里丢开这些目标，率领机群向“比睿”号战列舰直扑过去。两颗炸弹正中“比睿”号高大的舰楼，烟雾升腾，船身即刻侧倾。“天鲛”机群掉头返航，只有两架“天鲛”轰炸机没有飞回关岛，而在海上迫降了。
在关岛以北，中国两支特遣舰队正在全速向交战地点进发。一片阴冷的薄雾笼罩着天际。“龙王”号和“兴凯湖”号带着各自的“屏幕”航行在舰队的前头。护航的驱逐舰在波澜起伏的海面上时隐时现。由于仅发现两艘曰本航空母舰，所以“彩凤”号率领的舰队跟在后面，留作后备力量。航空母舰上飞行员3点钟就被叫醒了。从4点钟开始，他们就全身披挂坐在待命室的皮椅上，看着荧光板，上面映出不断传来的曰本进攻关岛的消息。机组人员从中得知曰本人轰炸礁岛和岛上战斗机拼死抵抗的情况。随后，航空母舰的飞行员出战的时候到了，他们纷纷登上各自的飞机。当他们踏上了飞行甲板时，雾已散开。中国舰队在晴空下行进着，各航空母舰上的飞机相继起飞了。
先后从“兴凯湖”上起飞的飞机是35架“天鲛”俯冲轰炸机；15架“标枪”鱼雷飞机和10架“风雷”重型舰载战斗机。从7时50分起，“龙王”号上的35架“天鲛”轰炸机，14架鱼雷飞机和10架战斗机先后起飞了。由于认为“彩凤”号的飞机留在甲板上很危险，所以17架“天鲛”轰炸机、12架鱼雷飞机和6架战斗机从8时40分开始也相继起飞了。有17架“天鲛”轰炸机是准备攻击尚未发现的敌航空母舰用的。
“兴凯湖”号的轰炸机和战斗机没有找到曰本人。此时曰本舰队已经掉头向西北驶去，飞行员奉命飞到指示地点，却没有看到任何目标。于是，“兴凯湖”号的轰炸机和战斗机又转向西南，继续搜寻。