5架“地獄俯衝者”利用雲層的掩護從艦尾方向切入，投下的炸彈3顆取得近失。2顆炸彈落在第180號肋骨附近，第三顆在艦尾爆炸的炸彈不但破壞了吊車支柱，掀起的氣浪還將兩名水上飛機機槍手拋到6米外的甲板上，其中1人竟奇蹟般倖免於難。美軍轟炸機發起俯衝的同時，8架“復仇者”從右舷發起了魚雷攻擊，幸好只有一條魚雷命中右舷第60號肋骨處，使航程測量儀室和水深探測儀室遭到破壞。劇烈爆炸造成二氧化碳洩露，前部戰時醫療室中的一些醫護人員因為缺氧而昏厥。
接下來投入進攻的“地獄俯衝者”獲得了極高的命中率。4顆炸彈分別命中“武藏”號左舷第45、65、70號肋骨和右舷第130號肋骨部位。前3顆炸彈造成附近甲板設施和上層建築嚴重受損，周圍人員非死即傷。第四顆炸彈直接在廚房內炸響。不過從隨後程序來看，這個廚房也不會再使用了。4架“復仇者”向右舷投出了魚雷，其中兩條從艦首和艦尾不遠處掠過，其餘兩條獲得命中。其餘4架“復仇者”從左舷發起夾擊，投出的4條魚雷有2條從艦底穿過，其餘2條命中目標。來自兩舷的2條魚雷同時命中第70號肋骨附近，使得進水範圍進一步擴大。命中左舷第110號肋骨的魚雷造成隔壁嚴重受創。最後一條魚雷命中右舷第138號肋骨附近，與先前第一波空襲中的中雷部位很近，導致創傷進一步擴大。“武藏”號由左傾1度改為向右傾斜，損管人員立即將原來為修正左傾向右舷緊急注入的水排出，使右傾減小到1度。不過艦首進水嚴重的狀況無法改善，航速大減的“武藏”號離大隊伍越來越遠了。
“埃塞克斯”號的美軍飛機尚未從視野中完全消失，14時28分，“長門”號瞭望哨報告25公里外發現了另一個美軍機群。3分鐘後，12度方位25公里外第二個美軍機群也出現了。“埃塞克斯”號艦載機大隊將“大和”號和“長門”號選為進攻目標。第一機群在20公里外分成了兩個分隊，第一分隊於14時26分向“長門”號艦首左舷投下的炸彈3顆獲得近失。第二分隊攻擊“大和”號的第一架魚雷機被防空炮火擊落。美軍俯衝轟炸機向艦首右舷發起俯衝，1顆命中前甲板左錨鏈庫的炸彈先後穿透三層甲板，在左舷水線以下外側炸出兩個2平方米和8平方米的大洞，“大和”號進水超過3000噸，左傾達到5.3度，艦首下沉3米。經損管隊員緊急排水搶修，“大和”號左傾減小到1.3度，艦首下沉僅0.8米。艦長森下大佐的操艦水平果真名不虛傳，美軍向“大和”號射出的魚雷被他一一避開。14時36分，美軍第二機群對“長門”號的攻擊同樣顆粒無收。
到14時40分，美軍第三波攻擊暫時告一段落，慄田重整編隊以22節航速繼續向東航行。鑑於“武藏”號已越拉越遠，14時52分，慄田下令驅逐艦“清霜”號護衛它向汶萊返航，但顯然已經來不及了。僅三分鐘後的14時55分，“武藏”號在130度方向、70公里外再度發現了美軍機群。與此同時，第二部隊的“榛名”號和“利根”號也發現了145度、155度方向的約30架敵機。
為了對慄田艦隊實施持續空中打擊，中午時分，美軍第三十八特混艦隊第二、第四大隊陸續派出了攻擊部隊。接到哈爾西的集結命令之後，戴維森少將置南路西村艦隊於不顧率隊兼程北上，到中午時分已將慄田艦隊置於艦載機的攻擊範圍之內。13時30分，“富蘭克林”號率先起飛了12架戰鬥機、12架俯衝轟炸機和10架魚雷機，他們與“企業”號航空大隊長丹尼爾·史密斯中校率領的16架戰鬥機、8架俯衝轟炸機和8架魚雷機共64架飛機組成了當天最大的一個攻擊機群。期間從13時45分開始，博根少將第二大隊的“無畏”號出動了15架戰鬥機、12架俯衝轟炸機和3架魚雷機。14時整，從“卡波特”號起飛的8架“地獄貓”和9架“復仇者”加入了這一攻擊佇列。
面對空中蝗蟲般的來襲者，慄田下令右舵180度，全隊掉頭以迷惑敵人。14時58分，“金剛”號再次報告發現新的美機編隊。14時59分，“榛名”號率先打響了第一炮，隨後日第二部隊各艦紛紛開火。為應對美軍當天規模最大的一輪空襲，慄田決定不再受“武藏”號的拖累，下令艦隊加速至24節全力防空。
早在14時45分，目睹“武藏”號漸漸落單的“利根”號艦長黛治夫大佐向鈴木中將提議，第二部隊是否向“武藏”號靠攏，為鉅艦提供足夠的空中掩護，被鈴木中將斷然拒絕。15時07分，鈴木命令“利根”號駛出大隊，與“朝霜”號一道為“武藏”號護航。美軍新一輪空襲發起時，“利根”號位於“武藏”號北方2000米處。
看到有人膽敢前來救援，“企業”號8架戰鬥機、“無畏”號5架俯衝轟炸機和1架魚雷機立即向“利根”號發起攻擊。15時17分，“利根”號艦首左舷和右舷中部各捱了一顆近失彈。1分鐘後，又有兩顆小炸彈連續命中艦長休息室和右舷第一、二號高炮彈藥室。所幸爆炸引發的火災被很快撲滅，並未誘發新的災難。“朝霜”號同樣遭到攻擊，15時15分被命中1顆炸彈和5顆近失彈，一號魚雷管被砸壞，無線電裝置受損導致通訊能力喪失，二號鍋爐停轉使驅逐艦航速驟降至21節，艦上水兵18人死亡，29人受傷。
相比他們的護衛物件“武藏”號，“利根”號和“朝霜”號遭遇的攻擊不過是毛毛雨而已。與刺蝟一樣戒備森嚴的慄田第一部隊相比，形單影孤且火力稀薄的“武藏”號成為大部分美機最好的攻擊目標，它完全被沖天水柱籠罩了。美機此輪攻擊共投下454公斤炸彈23顆，227公斤炸彈6顆和45公斤小炸彈14顆，至少有10顆炸彈獲得命中，6顆炸彈獲得近失。
“武藏”號只剩下6門大炮還能開火，前部炮塔陷入沉寂：其中一門炮炮彈卡殼，另外兩門無法將炮口提至45度角以上。美軍第一顆命中彈徹底炸燬了第一艦橋和作戰室，防空指揮所右舷一側也被炸飛，並在第一艦橋附近誘發大火。正在防空指揮所門口指揮戰鬥的豬口少將肩部負傷，高射炮長廣瀨榮助少佐、測距長山田武男大尉、航海長仮屋實大佐、“摩耶”號副艦長永井貞三中佐——他是剛剛被從沉沒的“摩耶”號上救起來的——係數斃命，通訊兵細谷受到衝擊跪倒在地。大量人員非死即傷使“武藏”號瞬間失去了防空指揮和操艦能力，全艦所有25毫米防空炮僅四分之一處於可用狀態。軍艦似乎失去了指揮，直到播音器中發出命令：“第一艦橋人員全體犧牲，艦長將從第二艦橋指揮。”很快觀察臺傳來了有氣無力的聲音：“艦長負傷，副艦長負責指揮。”
第二、三、四顆命中彈幾乎同時擊中左舷第105、115、120號肋骨部位，不但將上層甲板完全撕開，通訊指揮室、第一接收室和電話室也遭到嚴重破壞，單管第二、第四號高炮和特設第二號雙聯裝高炮被一掃而空，爆炸誘發的大火迅速蔓延至8號鍋爐房一帶。第五、六顆命中彈落在右舷第115號肋骨附近，不但摧毀了單管第一、第三號高炮和特設第一號雙聯裝高炮，還將7號鍋爐房入口前艙壁壓壞，導致大門無法開關。第七顆準確命中第127號肋骨附近的炸彈不但將中央高炮人員準備室炸得不知去向，還將訊號旗甲板以下的前桅後部全部破壞。第八顆命中左舷第62號肋骨的炸彈將上層甲板5號士兵艙和中層甲板病員室破壞。第九顆炸彈擊中一號炮塔頂蓋。最後一顆命中右舷第75號肋骨的炸彈損壞了軍官室，還導致上層甲板第70到第95號肋骨段迸裂出一條大口子，一些水兵藉此自由出入。
