为加强新几内亚东部的作战和夺回瓜岛机场，日军不断向南太平洋地区集结兵力。至1942年8月中旬，倾巢而出的日海军联合舰队的所有舰艇，在驶离本土基地后，均集中到了特鲁克基地。1.7万名地面部队有的已经到达，有的还在南下途中。日军指挥部主观臆断地认为，美军在南所罗门群岛登陆的兵力不超过2000人。因此，竟从派来增援的兵力中，抽出1.1万人，火速加强新几内亚岛东部的作战，只把6000人的部队投入夺回瓜岛的战斗，而且这6000人也不是同时出击。第一次登陆兵力为2100名，由田中赖三海军少将指挥。由于南太平洋的日本运输船大部分用来加强莫尔兹比的作战，因而就连这第一次组织的登陆运输队也要分成两批实施。第一批由6艘驱逐舰组成，8月16日拂晓从特鲁克出发，以22节航速驶往瓜岛，两天后的深夜，一木上校率领的900余名日军在亨德森机场以西上陆。第二批约1300名登陆兵分乘3艘航速仅为8.5节的低速运输船，也随后从特鲁克出发，为运输船担任直接护航的是田中海军少将的旗舰“神通”号轻巡洋舰和4艘巡逻艇。
田中海军少将同几艘低速运输船一起航渡的途中，先后收到3份敌情报告，使他和联合舰队司令部完全改变了原来的作战方案。根据第一份敌情报告获悉，8月20日，弗莱彻的航空母舰特混舰队在瓜岛的东南海域活动；从第二份敌情报告中得知，美军飞机已开始使用亨德森机场；第三份敌情更令他们受到莫大的冲击，一木的登陆支队8月21日凌晨，在特纳鲁河的战斗中全军覆没。基于这个形势，坐阵拉包尔的山本司令长官立即命令近藤信竹海军中将率领航空母舰机动部队出发，前往增援田中的登陆编队，并伺机袭击弗莱彻的特混舰队。山本的这个临时决定，导致了瓜岛战役中的第二次海战，即所罗门群岛以东海战。
8月23日早晨，弗莱彻海军中将指挥的美第61特混舰队整装齐员，游弋于距亨德森机场150海里的洋面。这支实力强大的航母编队由三股海上航空作战兵力组成：一是弗莱彻直接指挥的以“萨拉托加”号航空母舰为首、2艘巡洋舰和5艘驱逐舰护航的第11特混大队；二是由金凯德海军少将指挥的以“企业”号航空母舰为首、2艘巡洋舰和6艘驱逐舰护舰的第16特混大队；三是诺伊斯海军少将指挥的以“黄蜂”号航空母舰为主的第18特混舰队。当侦察机发现田中的日军登陆编队时，弗莱彻接电后马上行动起来，决心痛歼这股弱敌。31架俯冲轰炸机和6架鱼雷机呼啸着飞往目标区域，一个半小时后，亨德森机场也飞出23架轰炸机赶去助战。可是，当美空袭机群飞抵时，令飞行员们大为扫兴的是，只见海面茫茫一片，日舰船队早已无影无踪，搜索一阵后仍一无所获，只得在黄昏时刻悻悻而返。原来，狡猾的田中见自己被美侦察机发现，顿感事态不妙，为确保船队安全，即令船队全速转向，规避到美军攻击机的作战半径之外。这时，跟在田中后面行进的近藤航母编队也随之转向，以暂避美机的锋芒。由于几批美机都没有发现日舰队，因此美太平洋舰队情报部门认为：日军的航空母舰必定还远在特鲁克一带。弗莱彻也断言：“在最近的几天内不会发生大的战斗。”于是，弗莱彻便放心地让“黄蜂”号航空母舰特混大队返回南方补充燃料去了。
8月24日拂晓，日舰队从黑云密布的海域驶出，向南航行。9时，田中的登陆编队位于瓜岛以北250海里处。近藤海军中将率领的“翔鹤”号和“瑞鹤”号航空母舰为掩护田中编队的翼侧，在其东面40海里航进。在近藤部队的前方是以轻型航空母舰“龙骧”号为首的第三编队，“龙骧”号的任务是以舰载机压制亨德森机场。9时5分，一架美军水上飞机发现了日军轻型航空母舰，并立即发回报告：“第61特混舰队西北280海里，发现敌航空母舰1艘、巡洋舰1艘、驱逐舰2艘。”弗莱彻闻讯后非常吃惊，因为要同兵力不明的日舰队发生海战，他眼下所能使用的航空兵力只有2艘航空母舰。弗莱彻决定展开先发制人的攻击，命令30架俯冲轰炸机和8架鱼雷机去袭击被发现的日军航母，同时为使自己的舰队免遭日机的攻击，让“企业”号和“萨拉托加”号上的53架“野猫”式战斗机全部担任空中掩护。下午3时左右，美机群开始围剿飞行甲板上已空无一机的“龙骧”号，俯冲轰炸机抓住了有利的攻击时机，从高空飞扑下来，刹那间就有4颗炸弹在敌舰上炸开了花，与此同时美鱼雷机队转入协同攻击，从目标前方两面夹击，在60米高度、800米距离果断投雷，“龙骧”号被命中后立刻笼罩于大火与浓烟之中，转眼的功夫，轻型航母已不可救药，难逃覆亡的命运。
就在弗莱彻令攻击机群出发后不久，美侦察机又发来了一连串不祥的情报，“在日轻型航空母舰东北60海里，又有一艘日军大型航空母舰”，“发现2艘敌大型航空母舰，方位340度，距离230海里，时间14时30分”，“14时40分，发现日军4艘巡洋舰和多艘驱逐舰，方位347度，距离225海里”。弗莱彻欲令那批已前往攻击“龙骧”号的美机中途转向，去攻击新发现的日军2艘大型航空母舰，但苦于通讯联络极不通畅，只好组织现有兵力应战。他让“企业”号特混大队司令金凯德负责指挥战斗机阻截敌机，并下令“萨拉托加”号特混大队与“企业”号分离，两舰群相隔10海里，以分散日机的突击力量。16时刚过，“企业”号上的雷达发现日机群正从北面接近，弗莱彻急忙让2艘航母上所有的轰炸机和鱼雷机起飞，对日本航空母舰实施反攻击。53架“野猫”式战斗机在距离“企业”号25海里的浓云密雾中摆开了阵势，与日机展开了残酷的空中格斗。美机勇敢的冲击，打乱了日机群队形，日机在进入轰炸航线前，就被击落了6架。
不久，30架日本俯冲轰炸机在混战中突破拦截网，直取“企业”号航空母舰，“企业”号奋力抗击，防空炮弹在空中纷纷开花，染黑了雪白的云朵。“北卡罗来纳”号战列舰射出的炮弹在空中砰砰炸响，纷飞的弹片在航空母舰上空构成了一道钢铁屏幕，一架架日机如扑火飞蛾般地拖着浓烟坠入大海。但是，终有数架俯冲轰炸机接连突破火网，呼啸着俯冲到500米的高度投下了重磅炸弹。一个美海军军官竟激动地用他的小手枪朝着直冲下来的日机射击，直到把子弹全部打光。“企业”号舰长戴维斯海军上校拼命用大舷角急转弯，但日机不顾死活的冲锋还是起了作用，3颗炸弹直接命中飞行甲板。第一颗炸弹发出刺耳的尖叫，斜向落入甲板，这大概是一种定时的穿甲弹，当其穿过航母第一、二层甲板时并未起爆，而在更下面的第三层轰然发出可怕的巨响，数十名水兵当场阵亡，并引起大火；第二颗炸弹命中“企业”号舰尾升降机右侧10米处，2台升降机报废；第三颗炸弹落在舰舷，炸坏水密隔舱，海水无情地涌入破口。日机对“企业”号的攻击持续了6分种后，残存的日机开始向北回撤，美战斗机全力追击。一小时后，经过损管队的出色抢修，受伤的“企业”号消除了轻微的倾斜，一边以24节航速向南撤退，一边回收尚未着舰的舰载机。
激战中，日机没有发现远处的“萨拉托加”号航空母舰，使其避过了这场劫难。同样，弗莱彻的第二批空袭机群也没有找到近藤编队的“翔鹤”号和“瑞鹤”号航空母舰，只在返航时意外地发现了一个单独行动的日军舰群，并将其中的日军水上飞机供应母舰“千岁”号击伤。近藤海军中将损失了1艘轻型航空母舰和90多架舰载机后，8月24日午夜开始向特鲁克基地撤退，而田中海军少将率领的登陆运输队则在驱逐舰的护送下，利用夜暗继续向南方的瓜岛驶去。25日天亮时，亨德森机场的8架“无畏”式俯冲轰炸机集中攻击并重创了“神通”号轻巡洋舰，“睦月”号驱逐舰见状急忙靠近，去救援他们的司令官。这时，由圣埃斯皮里图岛起飞的B-17陆军轰炸机嗡嗡地飞来了，“睦月”号舰长烟野海军中校对这种高空水平轰炸机满不在乎。在他的印象中，这种飞机对海面目标的击中率几乎为零。不料恰恰有3颗炸弹准确地落在了他的舰上，当水兵们把落汤鸡似的烟野舰长从海里打捞上来时，他看着沉没的军舰愤愤不平地说：“混蛋！连B-17也有机会逞能了！”在拉包尔的山本司令长官见瓜岛登陆运输队处境险恶，只好命令田中返航。日军此次夺回瓜岛的作战计划就这样夭折了。
所罗门群岛以东的海战落幕了，日美两国海军基本打了个平手。但是，海战的结局，粉碎了日军迅速夺回瓜岛机场的企图，进一步使血腥的瓜岛之战陷入了旷日持久的局面。