二十一日上午八点，一批中国空军战斗机在温州外海上空拦截了由上海飞来的三十六架战斗机，很快就将其大部击落击伤，使日军增援舰队彻底失去了空中的掩护。
八点四十分，由内陆和沿海起飞的中美战斗机和轰炸机开始对日军增援舰队实施攻击。同时，盟军海军的多艘潜艇也在外围对日军舰队发射了鱼雷。
这次四航司和美国航空队总共动用了八十架b17、六十余架中型轰炸机和六十余架俯冲轰炸机、一百一十多架战斗机，对没有空作掩护的日军舰队进行了轮番攻击。
战术上盟军还是首先以b17的高空投弹打乱了日军舰队的阵型、并重创了多艘日舰，而后，大批四航司战斗机蜂拥而至，以密集的火箭弹对日舰表面的防空火炮进行了攻击，击毁了日舰的大部分防空火力。接着，挂载着重型炸弹和鱼雷的中型轰炸机和俯冲轰炸机，才开始对日舰展开了最致命的打击。
在持续半个多钟头的首轮攻击中，日军共有一艘战列舰、三艘重巡洋舰等二十三艘军舰受到致命打击，其中当即沉没九艘，另外的十三搜也基本是没有救了，而其余舰只也都遭到了不同程度的损伤。
遭此灭顶之灾，日军舰队司令官只得放弃了与盟军海军决战的梦想，命