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。
“兴凯湖”的鱼雷飞机是由金德伦海军少校指挥的。这支飞行大队在途中同轰炸机和战斗机分开了，他们朝另一个方向去搜寻曰本人，大约在9时20分他们发现了曰本舰队。经过一番搜寻之后，鱼雷飞机的汽油几乎快耗尽了。发现曰本人后，金德伦通过无线电请求回去加油，然后再攻击。傅仁轩回答说：“立刻攻击！”曰本舰队浩浩荡荡地排成一队，前后长达15公里。“兴凯湖”号的鱼雷飞机同关岛的鱼雷飞机一样，在没有战斗机护航的情况下，一直下降到投弹的高度，迎着凶猛的曰本战斗机，慢吞吞地朝攻击目标平飞过去。结果鱼雷飞机一架接一架地起火栽进大海，没有一架能返回“兴凯湖”号。全大队的飞行员只有一个叫盖国强的海军中尉死里逃生。飞机被击落后，舱座的坐垫从飞机上散落在海上，他抱住坐垫在海面上漂浮。“然后，我钻进水里去拉受伤的后机枪手”，他追述道，“但没救上来。我钻出水面，一眼就看到一艘巨大的曰本航空母舰正对着我开过来，甲板上停着很多飞机。这种场面倒是很有意思，可就是离我太近了。这艘航空母舰走在离我大约有五百米时，向右来了个大转弯，周围的巡洋舰也跟着向右转，从离我大约四百五十米的地方开过去。”为了不让曰本人发现，盖国强到天快黑时才把橡皮筏充上气。就这样他脸贴着水面，目睹了关岛战役的后续部分。
他在海上漂泊了不到一个小时之后，看到又有一支中国鱼雷飞机大队飞过来。这是“龙王”号上的第6飞行大队。早晨，“龙王”号的战斗机赶在鱼雷飞机的前面，在攻击目标上空盘旋了半个小时。战斗机的汽油越来越少了。“龙王”号战斗机飞行大队长看看没有曰本战斗机（“烈风”战斗机当时正在加油），就报告说：“空中没有战斗机巡逻。”随后就命令全队掉头返航。几分钟以后，“龙王”号的鱼雷飞机赶到了。“烈风”式战斗机也出现在天空。第6飞行大队选中已经遭到重创的“云龙”号航空母舰作靶子。中国飞行员不顾一切越过高射炮猛烈的炮火屏障，冒着25架曰本战斗机射出的弹雨低空前进，14架飞机有10架被击落了。
4架死里逃生的鱼雷飞机一边向东南疾驶，一边吃力地向高空爬着。这时，脸贴在水面上观战的盖国强看到又有一队中国鱼雷飞机飞过来，这支鱼雷飞机大队是有战斗机护航的。第三鱼雷飞机大队附属于“彩凤”号，它们有“彩凤”号的16架战斗机护航，另外还有“龙王”号的战斗机，途中相遇后也决定给这支前去进攻的鱼雷飞机大队护航。但是中国战斗机遭到数量多、速度快的“烈风”战斗机的攻击，曰本飞机把中国飞机围起来，采取分而制之的办法，逐个打击，最后把它们同鱼雷飞机打散了。这队鱼雷飞机跟前面两批一样，在朝攻击目标平飞过去的时候，又一群“烈风”飞机猛攻过来。盖国强看到有7架鱼雷飞机在投弹前就起火掉下来了，其余5架朝“葛城”航空母舰投了鱼雷，其中3架刚投完就被击落了。
由于新参军的飞行员战技不熟，几个飞行大队彼此失散了，在原定的方位没有找到目标，于是各大队分头搜索。“兴凯湖”号的轰炸机大队没有找到目标。
“龙王”俯冲轰炸机大队长麦金莱海军少校经过一个多小时的搜寻，才发现曰本人。他从6000米高空望去，只见在接近天际的地方有一条微白的细线伸展在湛蓝的海面上。那就是从曰本军舰上冒出的青烟。麦金莱向“龙王”号发了个电报，命令各飞机展开队形。他感到奇怪，为什么没有曰本战斗机前来迎击呢？在渐渐向目标接近的时候，他仔细一看，“烈风”战斗机就在前面。在离他五千多米的下方，一群胡蜂似的“烈风”战斗机正竭力置鱼雷飞机于死地。海面上清晰地出现两艘大型和一艘小型航空母舰。护航巡洋舰离航空母舰远，而驱逐舰却紧挨着航空母舰，跟着航空母舰变换队形。这时，“彩凤”号的俯冲轰炸机大队赶来同“龙王”号的轰炸机群汇合，一齐组织进攻。“龙王”号的轰炸机分成两路，分头进攻“大凤”号和“云龙”号航空母舰。“彩凤”号的轰炸机扑向“葛城”号。
轰炸机离航空母舰越来越近了，只见航空母舰的飞行甲板微微晃动着，变得越来越大，越来越大，印在航空母舰正中的“旭曰”标记越来越醒目，排列在船尾甲板上的飞机机翼闪闪发光。第一批炸弹爆炸了，但没有击中目标，在“云龙”号左右激起一股股白色水柱。突然，一道炽烈的红光从船尾冲起，象一朵怒放的奇花，光芒四射，烈焰顿时冲天而起。又一颗炸弹穿进甲板不见了。紧接着，一股碎片残骸从甲板裂口处喷出直冲云霄。这时，“烈风”战斗机开始上升，向中国轰炸机袭来，但是中国轰炸机继续不停地攻击航空母舰，“大凤”号也有几处中弹，开始烧起来了，而中国轰炸机也相继坠海。“龙王”号的33架轰炸机损失了12架。最后飞走的那架轰炸机朝一艘驱逐舰投了一颗炸弹，这艘驱逐舰顿时象粘在海上一样不动了，中甲板上烟雾升腾。盖国强海军中尉一直攀伏在他那浮动的坐垫上观战，突然他看到从“云龙”号上冲起一团大火，海涛骤然而起，劈头盖脸的向盖国强袭来。原来是这艘曰本航空母舰的弹药舱爆炸了。
“葛城”号刚刚掉头迎风而立，准备放飞机起飞，“彩凤”号的“天鲛”轰炸机就向它直扑过来。这边船首刚飞出第一架曰本飞机，那边船尾就挨了第一颗炸弹，炸弹在机群正中爆炸，船尾顿时变成一片火海。几秒钟之内，“葛城”号连中7颗炸弹，这艘航空母舰变成一个漂浮在海上的大火盆。4架“彩凤”号的轰炸机眼看曰本航空母舰大势已去，就转而攻击旁边的一艘巡洋舰和一艘战列舰，两艘军舰同时被击中。战列舰浓烟四起，巡洋舰歪在海上不动了。“彩凤”号的轰炸机大队无一损伤，安全返航。中国海军航空兵从11时到12时之间获得战果是：曰本的“云龙”、“葛城”、“大凤”三艘航空母舰丧失战斗力，一艘驱逐舰被炸毁，一艘巡洋舰遭重创，一艘战列舰被炸坏。另一艘曰本航空母舰“阿苏”号未受损伤，只见它向北面的云系下驶去。
中国航空母舰带着各自的“屏障”迤逦向西南航行，尽量躲避着曰本的快速战列舰。“彩凤”号的轰炸机刚回到舰上，就接到立即脱离飞行甲板的命令。当时的时间正是12时。“彩凤”号的护航机群在北面海里上空同由20架战斗机护航的32架曰本俯冲轰炸机遭遇。这些曰本飞机是从“阿苏”号上起飞的。双方进行了一场短促而激烈的战斗。结果只有8架曰本轰炸机逃出中国战斗机之手。曰本飞机是前来迎击由“江苏”号和“热河”号两艘重型巡洋舰，以及5艘驱逐舰护航的“彩凤”航空母舰的。舰队上众炮齐发，犹如打泥鸽飞靶一样。由于曰机不多，炮手们不组织火力网，索姓各自选靶射击。
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