Через несколько минут после появления в пределах видимости японские крейсера и линкоры открыли огонь. Это был первый случай, когда американские корабли попали под огонь 457-мм пушек. Первым пострадал авианосец «Уайт Плейнз». Разрыв близкого снаряда привел к потере управления. Прикрываясь от огня, авианосец поставил дымовую завесу, и это его спасло. Списав со счетов «Уайт Плейнз», японцы перенесли огонь на другие корабли.
Из всех классов кораблей эскортные авианосцы были самыми неподходящими для единоборства с тяжелыми надводными кораблями, особенно если те подошли на дистанцию артиллерийской стрельбы. Эти небольшие корабли представляли собой транспорты с оборудованной на них полетной палубой. Они не имели бортовой брони, а их артиллерия была незначительна Их скорость не превышала 17 — 18 уз. и значительно уступала скорости японских кораблей. Единственным оружием этих кораблей были самолеты. Однако размер их полетных палуб был много меньше, чем на тяжелых авианосцах, что делало подъем и посадку самолетов, особенно при энергичном маневрировании, весьма сложным занятием. А кораблям приходилось под градом тяжелых снарядов маневрировать постоянно.
Сразу после нападения японских кораблей адмирал Спрегью послал донесение (открытым текстом) адмиралу Кинкейду, сообщив свое место и то положение, в каком оказались его корабли. Кинкейд отлично понял опасность ситуации и, опасаясь за судьбу эскортных авианосцев и транспортов, немедленно выделил для отражения нападения японских кораблей три линкора, пять крейсеров и несколько эсминцев. Больше ничем помочь он не имел возможности — значительная часть его кораблей находилась в проливе Суригао. Кроме того, линкоры почти израсходовали боезапас, а на эсминцах торпед вообще не было. Это соединение вряд ли смогло бы облегчить ситуацию, в какую попали эскортные авианосцы. Но тем не менее выделенные корабли поспешили им на помощь.
Основную поддержку атакованной северной группе авианосцев оказали самолеты южной и центральной групп авианосцев. Они подняли в воздух все свои самолеты. Некоторое облегчение принес и внезапно налетевший дождевой шквал, на время укрывший атакованные авианосцы.
Японцы, обнаружив эскортные авианосцы, были несколько удивлены, поскольку считали, что тяжелые авианосцы из состава ОС-38 ушли на север для атаки соединения адмирала Озава, О присутствии в этом месте эскортных авианосцев они не знали и посчитали обнаруженные корабли за одну из групп адмирала Митшера. Поэтому они были вправе считать, что где-то рядом находятся и американские линкоры. Возможно, этим и объясняется некоторая нерешительность их действий. Неожиданная встреча, незнание ситуации, дождевые шквалы и эффективные дымовые завесы привели к тому, что бой превратился в свалку.
К моменту обнаружения американских кораблей японские линкоры шли кильватерной колонной во главе с «Ямато». По обеим сторонам от линкоров располагались шесть тяжелых крейсеров. Охранение из легких крейсеров и эсминцев шло впереди тяжелых кораблей. Обнаружив авианосцы, адмирал Курита постарался занять наветренное положение с тем, чтобы затруднить подъем самолетов с авианосцев, отходящих по ветру. Тяжелые крейсера «Тонэ» и «Тикума» увеличили скорость и стали выходить на левый фланг американских авианосцев. Эсминцы стремились выйти на правый фланг, а остальные японские корабли и крейсера шли на авианосцы кратчайшим путем. Эскортным авианосцам грозило окружение и полное уничтожение. Пытаясь спасти положение, в атаку на японские корабли вышли американские эсминцы из сил охранения авианосцев. В результате этой отчаянной атаки «Кумано» получил попадание торпеды, повредившей его носовую часть. Его скорость снизилась до 16 узлов. Однако эта атака стоила американцам потери трех кораблей.
Решительные действия американских эсминцев не помешали крейсерам «Тонэ» и «Тикума» зайти во фланг авианосцам и практически беспрепятственно расстреливать их. Авианосец «Фэншо Бей» получил шесть 203-мм снарядов и был значительно поврежден. Помимо подводной пробоины его полетная палуба пришла в негодность. Еще сильнее пострадал «Калинин Бей» — в него попало пятнадцать снарядов. Хуже всего было положение авианосца «Гэмбиер Бей». Оказавшись с наветренного края, он не был прикрыт дымовой завесой, и на него обрушилась вся мощь артиллерии двух тяжелых крейсеров. Корабль получил множество попаданий. Многие помещения корабля были затоплены, и его скорость снизился до 11 уз. После очередного попадания тяжелого снаряда он лишился хода и стал беспомощной мишенью. Сократив дистанцию до десяти кабельтовых, японские крейсера добили корабль. Он опрокинулся и затонул с большей частью команды.