在8月23日凌晨，弗莱彻的舰队抵达瓜岛以东海域，但被日军1艘潜艇察觉并迅速报告给山本。得知消息后，南云调整了舰队序列，加速南下准备迎击美军。十点，美军侦察机发现了日军增援群，弗莱彻立刻派出31架轰炸机和6架鱼雷机进行攻击，随后瓜岛的“仙人掌”航空队也出动23架飞机。然而，由于日军指挥官田中经验老到，他迅速规避，使得美军三次攻击都未能命中目标，只好返航。弗莱彻判断日军航母可能仍在特鲁克附近，因此命令第18特混大队返回加油，造成他在后续战斗中力量不足。
8月24日晨，美军两个大队与日军战术群在马莱塔岛周边海域对峙，双方相隔300海里。美军侦察机发现日军牵制群，但弗莱彻并未立即行动。午后，日军航母“龙骧”号遭美军拦截，损失惨重，诱使弗莱彻误判为主力。随后，美军发现日军先遣群和主力群，形势变得紧张。弗莱彻调整战术，试图攻击日军主力群，但通讯问题导致出击机群未能及时转向，最终“龙骧”号被击沉。南云见此，派出攻击波直扑美军航母。
在空中警戒中，虽然美军击落了两架日机，但弗莱彻意识到自己的位置可能暴露。他下令加强防御，准备迎接日机的攻击。在激烈的空战中，美军战斗机击落了6架日机，但“企业”号遭到俯冲轰炸，虽然损失惨重，但快速修复后恢复了作战能力。日机攻击结束后，弗莱彻率舰队撤退，日军主力群也因燃油耗尽返回。
同时，美机对日军先遣群展开攻击，其中“萨拉托加”号发现了日军目标并造成损伤。在此次战斗中，日军未能找到美军航母决战，反而保护了增援群，后者在24日成功避开了美军攻击，准备在25日继续行动。
1942年8月日军攻占阿留申群岛的阿图岛和基斯卡岛，以吸引美军主力部队，双方在瓜岛东南海域展开了瓜岛战役的第二次海战，美军称之为"东所罗门群岛海战"战争是以日本战败结束。