24日，小泽将舰队分为前卫和本队两个舰群进行活动，以便吸引美军的注意。晚8时，当小泽得知栗田舰队已经返航后，便命令舰队收拢，向北方退避。不久，小泽又接到联合舰队司令的“仰仗神明庇佑，全军猛进突击”的电令。子夜，他又率部再度折回南下。
25日6时左右，小泽舰队的本队与前卫部队在预定海域会合。此时，小泽拥有大型航母1艘、轻型航母3艘、战列舰2艘、轻巡洋舰3艘和驱逐舰8艘。
与此同时，在甲板上待机的美军第一攻击波的180架飞机也跟随着侦察机起飞了。由于美军突击机群在空中得到了及时的引导，8时稍过就发现了小泽舰队。美机立即开始冲破日舰空中火力屏障和仅有的13架日军战斗机的拦阻，进行猛烈的攻击。小泽的“千岁”号轻型航母首先被炸沉，“瑞鹤”号航母也被鱼雷击中。此外，还有1艘驱逐舰被美军击沉。
小泽在美机的猛烈攻击中，不忘自己的使命。8时30分，他向栗田发了一份电报：“敌舰队已被我诱至北方，目前正在集中火力向我进攻。”然而，对于这份极为重要的电报，栗田却没有收到。
10时，美军对小泽舰队进行了第二次攻击。此次空袭中，日军1艘巡洋舰被击伤，航速降为10节；“千代田”号轻型航母也中弹起火、开始倾斜。
此时，哈尔西早已杀红了眼，根本顾不得认真地分析金凯德的数份求救电报，他要集中全力消灭眼前这股残存的敌人。
常言道：旁观者清，当局者迷。远在千里之外的夏威夷，尼米兹发电告诫哈尔西“上当了”。直到此时，哈尔西才大梦初醒。他立即火速收兵，亲自率战列舰编队先行，第38特混舰队和第4特混大队随后，日夜兼程赶往莱特湾。留下米切尔海军中将指挥第2和第3两个特混大队，继续追歼小泽舰队。
11时45分，米切尔指挥第3批突击机群发起第三次攻击，袭击了残存的日军航空母舰。结果，“瑞凤”号被重创，“瑞鹤”号又被3条鱼雷击中，不久也沉没了。这艘日本惟一尚存的参加过偷袭珍珠港航母的沉没，表明美国海军已经报了当年的“一箭之仇”。
午后，美军第4次派出突击机群，终于将奄奄一息的“瑞凤”号航母也送入了海底。
18时，小泽舰队在暮色中开始撤退。撤退途中又遭到美潜艇的袭击，1艘负伤的巡洋舰又被击沉。此外，小泽放弃的重伤的“千代田”号轻型航母，也被美军水面舰艇给击沉了。
此次战斗中，日军先后被美军击沉了4艘航空母舰，1艘巡洋舰，两艘驱逐舰。损失虽然相当惨重，但是却达到了引诱美军机动部队北上的目的。然而，小泽所付出的巨大牺牲却没有换取日军预想的战果。因为栗田并没有利用小泽创造的这一有利战机，去争取莱特湾抗登陆作战的胜利。小泽成了白白送给敌人的诱饵。
26日8时34分，哈尔西命令随后赶到的第4特混大队的30架美机，向栗田舰队撤退的方向追击。日军“大和”号战列舰被2枚炸弹击中，另艘巡洋舰“能代”号也中雷沉没。
至此，人类历史上规模最大的、以登陆与抗登陆为背景的海战——莱特湾大海战，终于落下了帷幕。此次海战，作战空间在东西宽600海里、南北长2000海里的广阔海域全面展开，双方共计参战的作战舰艇293艘，飞机1996架。
莱特湾海战的结果，极大地影响了莱特岛陆上作战的进程和结局。12月7日，美军第77师从海上迂回到西海岸上陆，使陆上日军腹背受敌。12月30日，美军宣布基本上占领莱特岛，歼敌5万余人。
在莱特湾大海战中美军参战兵力多达航空母舰16艘、护航航母18艘、战列舰12艘、重巡洋舰11艘、轻巡洋舰15艘、驱逐舰144艘、护卫舰25艘、运输舰后勤辅助舰592艘、飞机近2000架、在战斗中被击沉航空母舰1艘、护航航母2艘、驱逐舰2艘、护卫舰1艘、被击伤护航航母4艘驱逐舰2艘、护卫舰3艘、潜艇1艘；损失飞机162架，伤亡不足3000人。
日军参战的兵力可以说倾其所有，共有航空母舰4艘，战列舰2艘、重巡洋舰14艘、轻巡洋舰7艘、驱逐舰32艘、飞机约600架、在战斗中被击沉航空母舰4艘、战列舰2艘、重巡洋舰6艘、轻巡洋舰4艘、驱逐舰10艘、被击伤航空战列舰1艘、战列舰4艘、重巡洋舰3艘、轻巡洋舰2艘、驱逐舰3艘；损失飞机288架，伤亡超过1万人。
经此一役，美军全歼了日本航空母舰编队，夺取了菲律宾海域的控制权。而显赫一时的日本帝国气数将尽，濒临灭亡的边缘。
战后，日本海军大臣米内光政在评价莱特湾海战对日本帝国的影响时说：“我觉得这就是终结！”
综观莱特湾大海战，日军失败的原因除了战略上整个局势极为不利、战术上兵力处于绝对劣势外，还有如下一系列具体原因。
航空兵力薄弱。特别是飞行员在训练水平、战术素养上都与美军相差得太远。美国“埃塞克斯”号上起飞了7架“恶妇”式战斗机顶住了日本第一攻击波的60余架飞机，而“普林斯顿”号轻型航空母舰仅有的8架战斗机竟然打乱了日本第2攻击波的80架飞机！具有武士道精神的日本飞行员不可谓不勇敢，然而在战场上为何这样的笨拙呢？很简单，就是因为缺乏足够的训练。当然，可以说这个责任并不完全在于这些年轻的飞行员，因为他们可能刚刚懂得什么叫做飞行就被派到了战场。这也说明日本在这场战争中消耗太大，已经没有支持这场战争的资源和潜力了。从日本失败的教训中，我们应该看到军队严格训练对战争取胜的重要性，看到后备军和预备役的重要作用。
密切协同是取得战争胜利的至关重要因素，而在莱特湾海战中，日军的栗田、小泽、西村、志摩及岸基航空兵这五支参战部队几乎没有密切有效的协同。甚至在同一时间同一地区为执行同一任务的西村和志摩两支舰队，也没有做到统一指挥和相互配合。现代战争，可以说是系统对系统的对抗。在系统内，如果不能做到协同密切、配合默契，要想取得战争的胜利几乎是不可能的。
我们还应该看到，日军的“捷一号计划”即使取得了胜利，也无法挽回战争的失败。因为美军可以凭借其巨大的工业生产能力，迅速补充在战争中的损失。面对美国在人力物力上的巨大优势，日本取胜的机会就是在美国的战争机器尚未全面开动时就将其击败，而这一时机在中途岛海战时就已经失去了。
总之，这场大海战创下了几项世界纪录：战场广，战区东西宽600海里，南北长2000海里；时间长，不算莱特岛登陆，从23日到26日双方军舰整整厮杀了3个昼夜；规模大，不含麦克阿瑟的登陆船队，双方参战舰达293艘，飞机达1996架。
此次大战的特点是，美军凭势，日军斗巧。胆大妄为的哈尔西上钩使美军险遭不测，而优柔寡断的栗田的失误却使日军功败垂成。经此一战，日本海军彻底丧失了海外作战能力，南洋日军尽成孤军，以上种种原因，促使日本不可避免地走向失败。