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美军获知日本联合舰队前来莱特湾，立即派第3、第7 舰队前往截击。两支舰队的总兵力共计12 艘航空母舰、18 艘护航航空母舰、12 艘战列舰、20 艘巡洋舰和104 艘驱逐舰，光舰载机就有12S0 架。但是，美军自恃兵力雄厚，根本没有考虑要对参战兵力实施集中统一的指挥，也没有建立统一的指挥部。战役开始时，哈尔西和金凯德虽然几乎同时获得了日本海军已经发起进攻的情报，但是他们谁也没有主动与对方进行协商就各自按照自己的判断下达了作战命令。哈尔西把注意力完全集中在栗田舰队上，既忽略了西村和志摩舰队，也没有及时发现小泽部队。而金凯德则以为他要对付的只是西村的7 条战舰，根本没有想到敌人南方兵力是由两支不同的作战编队所组成。正因为这些原因，使莱特海大战出现了一些戏剧性的复杂场面。要不是美军兵力占有很大优势，而且栗田临阵又表现得异常无能，这场海战的胜负是很难预料的。
锡布延海大战
10 月24 日8 时，哈尔西的侦察机在锡布延海至圣贝纳迪诺的航道上发现了栗田舰队。但是，哈尔西听说敌舰编队中没有航空母舰，心中生疑，他奇怪日本人怎么会在没有航空母舰的支援下，派出“大和”号这佯的战列舰作战呢！他估计日本人的航空母舰一定在附近海域。为阻止栗田向圣贝纳迪诺海峡前进，同时也为抵御日本航空母舰舰载机可能的攻击，哈尔西下令所有飞机立即起飞投入战斗。
10 时40 分，美军舰载机第1 攻击波飞抵粟田舰队的上空。40 余架轰炸机、鱼雷机和歼击机在日舰队两侧迅速占领了有利阵位，做好了战斗准备。他们首先攻击的是“武藏”号战列舰。
“武藏”号战列舰舰长263 米，宽38．9 米，满载排水量为72809 吨，装有9 门460 毫米口径的巨炮，射程达42 公里。全舰共有大小火炮152 门。该舰重销厚甲，舷部装甲厚达410 毫米，具有分层叠装的船身，号称“永不沉没的战舰”。
美机冒着日舰猛烈的高射炮火俯冲而下，把成吨的炸弹、鱼雷倾泻给日舰。顿时，3 枚鱼雷击中“武藏”号战列舰右舷，一阵猛烈爆炸之后，巨舰上的一门460 毫米大炮被击坏，右舷横倾3 度，航速减至22 节。
12 时3 分，第2 攻击波次的22 架美机又飞临日舰队上空。在纷纷坠落的炸弹中，有3 颗命中“武藏”号，前甲板和左舷被打坏，巨舰略向左横倾，但航速未减。
13 时25 分，第3 攻击波的29 架美机又蜂拥而至，先是俯冲轰炸机投弹，接着是战斗机扫射甲板，没有炸中的炸弹激起冲天水柱，把“武藏”号团团围住。巨舰连中千颗炸弹和3 枚鱼雷，剧烈的爆炸把舰首外甲板撕裂，海水漏入，舰首低沉。栗田大惊，急忙向丰田司令官发电：“第1 游击部队正在锡布延海苦战，预计敌之空袭还要增多，请陆基航空部队和机动舰队火速进攻估计在拉蒙湾方向上的敌人航空母舰舰队。”
14 时30 分，第4 攻击波次的55 架美机又发动空中攻击，7 枚鱼雷在波浪滔滔的水中像蹦跳的海豚一样先后打进已被重创的“武藏”号左舷，巨舰明显向左倾斜，上层建筑全部被摧毁，舰首继续下沉，航速减至12 节，舰长猪口敏平海军少将负伤。
粟田见援兵不至，“武藏”号又无法跟上编队，遂命令“清霜”和“滨风”号驱逐舰留下陪伴“武藏”号，自己则率舰队冒着弹雨以22 节航速继续前进。
15 时20 分，第5 攻击波的100 架飞机向栗田舰队发动了规模最大的一次攻击。日舰虽拼命射击，却丝毫阻上下了美机向“武藏”号的冲杀，10 颗炸弹直接命中这艘巨舰，“武藏”号再也无能为力，渐渐下沉了。
栗日见状，心中十分震惊。天这么亮，美机还可以来袭几次，而在前面的海峡中是无法躲避的，弄不好舰队会成为瓮中之鳖。想到这里，他不由心惊胆战，命令舰队掉转航向退口。他电告丰田司令长官道：“在此情况下，如果我们按原计划前进，那么，我们只不过是使自己成为敌之盘中肉，我们几乎没有把握成功。因此，我们认为，暂时撤至敌机航程之外是上策，待陆基友机给敌军以决定性一击以后再行定夺下一步的行动。”
可是，栗田西航1 小时后，却未见敌机追杀，又打消了后撤的念头，决定回转航向向圣贝纳迪诺海峡挺进。17 时15 分，他的舰队再次转向，排成纵队小心翼翼地在马斯巴特和布里亚斯两岛间航行。
在栗田一退一进之时，“武藏”号战列舰已走入地狱之门了。
黄昏时，“武藏”号彻底瘫在海上。猪口下令全体舰员离舰。甲板上堆满了血肉模糊的尸体，令人惨不忍睹。
19 时35 分，巨鲸一般的庞然大物“武藏”号战列舰翻转着它那263 米长的身躯，带着遍体伤痕，终于沉入海藻丛生的海底。
在这次海战中，除了“武藏”号倾覆外，它的姐妹舰“大和”号战列舰，以及“长门”号战列舰、“矢矧”号轻巡洋舰也被重创。栗田舰队实力大为削弱。
菲律宾东部海海战
还在哈尔西的飞机准备飞往锡布延海时，美军雷达观察到了有3 个庞大的敌机群，正从西南方向迅速接近。哈尔西果断地让“爱塞克斯”号、“普林斯顿”号、“列克星敦”号和“朗利”号航空母舰的飞机改变进攻目标，截击敌机群，其余各航空母舰上的飞机则继续飞往锡布延海攻击栗田。因此，在锡布延海海空战的同时，菲律宾东部海域也在进行着一场你死我活的大空战。
最先拦击日机群的是从“爱塞克斯”号起飞的美机群。由于日军富有作战经验的老飞行员在中途岛以来的历次战斗中已经几乎丧失殆尽，新飞行员又因燃油缺乏大大影响了训练质量，战斗素质普遍很差。所以，战斗开始不久，日军就失去了进攻的势头，渐渐陷入被动，被美军舰载机打得落花流水。麦克坎贝尔海军中校在半小时之内就击落9 架日机，创太平洋战争中单机一次击落日机的最高纪录。
日机仓惶逃窜，美军紧迫不舍，几乎一直追到马尼拉才返航。
空战时，一直在浓浓的低云和雨募中躲避日机攻击的美军航空母舰，见舰载机返航，便冲出雨云区，准备收回战斗机。不料，正在这时，第2 攻击波的80 架日机又蜂拥而至。
轻型航空母舰“普林斯顿”号上空只有8 架战斗机掩护母舰接收飞机，见日机群扑来，立即迎上去截杀，横冲直撞，将日机群战斗队形打乱，击落28 架日机。
但是，毕竟双方兵力相差悬殊，美机抵挡不注日机，一架日军俯冲轰炸机突然隐蔽地从云层中钻了出来，径直向“普林斯顿”号甲板冲去，随着一阵刺耳的呼啸声，这架日机将两颗550 磅炸弹准确地投在甲板上。
当时，“普林斯顿”号甲板上有不少飞机正在加油，另外一些飞机已悬挂好了鱼雷和炸弹，正等待起飞。这两颗炸弹穿透飞行甲板爆炸，将甲板上的美机炸得七零八落，引起熊熊大火，很快甲板上一切可以燃烧的东西都着了，火势如同脱缓的野马，越烧越旺，尽管救火队拼命扑救，也无济于事。
美舰官兵担心飞机上的鱼雷和炸弹被引爆，纷纷将甲板上的飞机推下大海。可是，还没容他们喘口气，10 时2 分，“普林斯顿”舰上的鱼雷舱被烈焰引着，发出霹雳般的巨响，顿时将飞机甲板撕开，把舰尾升降机平台抛人空中，炸得官兵血肉横飞，舰面上升起一缕300 米高的黑色烟柱，除了灭火队之外，全舰人员不得不弃舰逃生。
这时，其余美驱逐舰和巡洋舰赶来接应。“伯明翰”号巡洋舰驶近“普林斯顿”号，欲把14 个大型灭火器送到航空母舰上，但由于海面波涛汹涌，两舰舰舷发生大碰撞，竟把“伯明翰”号上的两门120 毫米舰炮连同炮座撞倒在甲板上。
“莫里森”号驱逐舰为送灭火队登上航空母舰，在舷靠时，不幸两烟囱之间的上层建筑与“普林斯顿”号的突出部卡住一个多小时，“莫里森”号舰桥被撕掉一大截儿，在巨流的冲击下，航空母舰上的一辆吉普车和一辆牵引车竟被抛到驱逐舰上。
黄昏时分，“普林斯顿”号上的大火除舰尾靠近鱼雷库的地方仍然在燃烧外，基本己被控制庄。“伯明翰”号巡洋舰送来拖缆准备拖航。在其驶到距“普林斯顿”号仅30 米处时，航空母舰舰尾弹药舱终于被余火引爆，一阵惊天动地的大爆炸，把大量的弹片一股脑儿地倾泻在“伯明翰”号甲板上。
这次爆炸对于“普林斯顿”号航空母舰来说是毁灭性的。17 时49 分，它彻底瘫在大海上。两艘驱逐舰向它发射了几枚鱼雷，帮助它加速沉入海底。“普林斯顿”号是自所罗门战役中“大黄蜂”号被击沉以来，美军损失的第一艘航空母舰。
惊人的大爆炸也给“伯明翰”号巡洋舰带来一场灾难，舰上229 名舰员阵亡，420 名舰员受伤。
苏里高海峡夜战
哈尔西虽然重创了栗田舰队，但因没有发现敌人的航空母舰而深感不安，“普林斯顿”号的沉没更使他焦躁。他下令派出侦察机侦察，意欲寻找到日本航空母舰决战。
此时，小泽也在为没有诱使美军航母编队驶出莱特湾而着急。他再次派出“伊势”和“日向”号航空母舰同另外5 艘军舰南下引诱美舰。
24 日16 时30 分，美军侦察机终于在吕宋岛东北侮面约200 海里处发现了小泽舰队。哈尔西接到报告，大为高兴。当时，他有3 套作战预案：一是将舰队一分为二，一部分出来，一部分留守关键的圣贝纳迪诺海峡；二是不立即出击小泽舰队，而用全部兵力封锁住圣贝纳迪诺海峡；三是放