一般情况下，先由侦察机发现敌人，确定方位，在向基地司令部通报后，攻击机再出动。可是现在已经没有那么多时间了，因为英国z舰队有可能全速返回由新加坡起飞的英战斗机的巡航圈，寻求空中支援。如此则日本的努力就将全部泡汤。因此在7点35分，34架携带炸弹的九六式攻击机、26架携带鱼雷的九六式攻击机和26架携带鱼雷的一式攻击机不等发现敌人的通报就从西贡各机场起飞，在空中跟随侦察机处于待命状态。
10日上午，天气晴朗，非常有利于日机攻击。然而搜索并不顺利，直到10时30分，几个中队的飞机经过大面积的搜索，仍没有发现英国舰队的影子。11时，全部日机在返航途中，燃油已消耗过半，飞机员们几乎都没有发现英舰和实施攻击的希望了。他们所关心的已不是英舰队，而是能否有足够的燃油安全返航。然而，正在这时，一架式侦察机突然从云隙中发现海面上有一条细长的白线，再仔细一看，白线的前头有5个豆籽大小的黑影。为了确认舰队就是英国z舰队，侦察机钻出云层，降低高度。正在这时，遥远的下方突然冒出一股白烟，炮弹随即在侦察机前爆炸。这无疑是英国舰队。电键启动发出呼叫：“发现敌方主力舰。北纬4度，东经103度55分。”听到侦察机的呼叫，大批正要返航的日机折身返回，蜂拥扑向英国舰队。
在日本攻击机接获侦察机发出的电报的同时，英国z舰队也侦测出日本侦察机发出的电报，知道舰队将很快面临着攻击机的袭击。于是菲利普舰长立即向新加坡司令部发报，要求出动基地战斗机护航。在这之前，菲利普和他的参谋们一直认为，这里距离中南半岛的日本空军基地约有400海里，通常攻击机战斗的最大行动半径是200海里，日本不可能有飞过400海里的攻击机。然而这个乐观的看法，很快就被粉碎了。不久，由于燃料不足先行回航新加坡的驱逐舰“坦尼多斯”号就发来了“我舰正受日本攻击机轰炸”的紧急电报，使菲利普的幕僚们大惊失色，因为根据计算，“坦尼多斯”号在“威尔士亲王’”号南方100海里处，已接近新加坡。“这是怎么回事？日本飞机的续航力有那么长吗？还是有航空母舰到来？”菲利普都感到困惑了。于是他再次命令向新加坡发出要求空中支援的紧急电报。然而就在这时，菲利普一直担心的日本攻击机编队的第一波出现在33000米高度的云端。
第一个到达英国舰队上空的是美幌航空队九六式陆上攻击机白井中队的8架飞机，每架飞机上各携带2枚250公斤重的炸弹，集中先扑向“反击”号。“威尔士亲王”号右舷的133毫米高射炮开火了。隆隆的炮声打破了海空的寂静。接着“反击”号的大口径高射炮和驱逐舰的高射炮也一齐开始射击。瞬间，在日本飞机周围的天空布满了密密麻麻的白色斑点，高射炮的爆炸引起的飞机震荡就像小船般上下左右摇动。
白井大尉发出投弹命令后，8枚250公斤的炸弹像被“反击”号吸走似的直落下去。炸弹落在反击号船舷两侧，高大的水柱把甲板打湿了，其中一枚直接命中了该舰中腰部推动4架观测水上飞机起飞的弹射器装置上。炸弹穿透了弹射器柱架，在下面机库甲板上爆炸，引起了一场使人慌乱的大火。正当白井中队调整位置，准备再次轰炸的时候，第二批轰炸机的17架鱼雷攻击机也已到达，但航空队形极其纷乱。他们由西贡基地出发抵达亚南巴斯岛时，燃料已所剩无几，根本顾不上编队就直接进行攻击。它们临时分成两队，8架以“反击”号为攻击目标，另9架以“威尔士亲王”号为攻击目标。然后各自再分成两队，分从战舰的两侧对目标进行攻击。
“威尔士亲王”号大小100多门火炮，朝着蜂拥而来的日机拼命对空射击，如同冰雹一样密集的炮弹四处乱钻，在天空中扬起一片黄色烟雾，炸裂的炮弹片，像撒落的砂子一样，在海面上激起一片浪花。日机不顾死活地鱼贯俯冲而下，在大约152米的高度投放了9条鱼雷。鱼雷溅水后，以40节的速度冲向“威尔士亲王”号，在海面上划出一道道雪白的航迹。这艘旗舰避开其中的7条鱼雷，但却未躲过另2条鱼雷的致命攻击，它的中部和左舷后部被击中，舰尾腾起一个高大的白色水柱。一位皇家海军军官报告说：“突然，军舰猛烈一震，令人毛骨惊然，伴随着一声震耳欲聋的爆炸，一道巨大的水柱夹着浓烟突入云空，高达200英尺……”另一个中队绕过旗舰冲向“反击”号，距“反击”号数百米投下鱼雷。坦南特舰长目视射来的8条鱼雷，凭借其高超的操舰本领躲过了第一轮的袭击。这艘第一次世界大战的老舰，如今像一艘驱逐舰一样，灵活地进行急速回旋和规避，躲过向它冲来的每一条鱼雷。
“威尔士亲王”号的尾舵被炸坏，左舷两个螺旋桨大轴发生故障，其中一个脱位，井把舰壳捅了一个洞。海水通过破洞涌进舰内。舰上的机械设备有一半遭受破坏，舰尾重型高射炮也无法射击。不久，它向左横倾13度，航速减了10节，丧失了机动能力：
目睹旗舰的惨状，坦南特更加盼望英国空军战斗机能前来把他们从危境中解脱出来。如若再进行几次精确的鱼雷攻击，这两艘主力舰就在劫难逃了。坦南特意识到旗舰的通信联络系统已遭破坏，用无线电向新加坡告急的责任已落在他的肩上。于是他利用战斗间歇，再次向新加坡发送了告急电报。
此时由高桥胜作大尉指挥的鱼雷攻击编队又到达了攻击上空。高桥摆动机翼，下令开始攻击，机群降低飞行高度，打开引擎油门朝着2艘巨舰俯冲下去。甲板上火光闪闪，海面竖起的水柱形成一道巨壁，这是火力强劲的舰炮射击所形成的防御网，想借此以击落鱼雷攻击机队。高桥中队依平时训练分成两队攻击。高桥驾驶的飞机从左舷对准“反击”号的舰体中央冲下去。巨舰越来越近，立即发射鱼雷，可以清楚地看到甲板上穿着白制服的水兵正拼命射击，枪弹划过机身发出尖锐的声音。然而“反击”号又成功地进行规避，一条条鱼雷恰好从它的两舷侧旁穿过。一反击”号舰长坦南特上校自豪地向残破的旗舰“威尔士亲王”号发出旗语信号：“反击”号未受重伤。我舰已成功地规避了18条鱼雷。
10分钟后，专门用来攻击舰队的鹿屋航空队一式陆上攻击机队26架，又加入了战场。按计划，第1中队攻击第1号舰，第2中队攻击第2号舰，第3中队则视情况参加攻击受损程度较轻的军舰。
第3中队队长壹歧春记大尉在看到“威尔士亲王”号在原地打转时，判定它已受重伤，并且接着它又被3条鱼雷击中，便率领第3中队加入了第2中队攻击“反击”号的行列。15架鱼雷轰炸机同时从15个不同的方向进攻，使得坦南特舰长根本无法看清鱼雷的航迹，更无法转舵利用蛇行规避疾驰而来的鱼雷。15枚鱼雷中有14枚命中目标。连续的爆炸形成的冲击波猛烈地震荡着“反击”号。“反击”号一会左倾，，会有斜，倾斜度不断增大，舱内机械到处都在断裂，大量海水涌进，很快失去浮力。5分钟后，坦南特意识到他的军舰已无法幸存，在军舰倾斜40度的情况下，他一手抓住栏杆，一手将麦克风举到嘴边，强忍着悲痛用颤抖的声音说：
“舰员们，你们都已表现得十分出色，我由衷地感谢你们。现在就请你们各人照看自己吧！上帝保佑你们。”接着他下令弃舰。8分钟后，“反击”号沉没。在这8分钟内，796名官兵以使人震惊和令人难以相信的镇静和秩序，跳入水中，在油污的海水中保全了性命。而另外513名官兵在等待驱逐舰前来搭救时，被倾覆的舰体压入水中，有的当场被淹死，有的则在跳向大海时落入了军舰的烟囱之中。坦南特上校本人有幸死里逃生，被水兵从水中搭救上来。
“威尔士亲王”号中了3条鱼雷之后，当海水涌进舱内时，它反而被扶正了。菲利普并未意识到，军舰暂时恢复平衡只不过是一种回光返照而已。
日机最后一次攻击开始了。负责给予“威尔士亲王”号最后一击的是昨夜几乎要误炸“鸟海”的美幌航空队武田大尉率领的8架飞机。今天各机都携带了500公斤的穿甲炸弹。武田大尉判断“威尔士亲王”号的速度是6海里，瞄准后大叫一声：一投！”除了有一枚炸弹未投下外，其余的7枚向“威尔士亲王”号当头落下。有2枚炸弹穿透甲板，在舰体内爆炸，烈焰顿时腾空而起。渐渐地，倾斜的后甲板离海面仅仅只有1米了，重油向海面流出。突然间，“威尔士亲王”号速度停滞，左横倾急剧增大，在连续发出一阵惊天动地的巨响之后，号称世界上最精锐的战舰露出了它的红色的舰底，从舰尾垂直插入海中。时间是下午1时20分，东京时间2时50分。长达2小时的激战结束了。
日本飞机离去了，它们没有多余的炸弹或鱼雷来攻击驱逐舰，甚至没有多余的机枪子弹来扫射驱逐舰正在救援的幸存者。几分钟之后，5架航速缓慢的“水牛”式英国飞机才迟迟从新加坡赶到，他们正好目睹了“威尔士亲王”号的翻沉。
在这次日机突袭中，英国有840名官兵丧命，其中包括英国远东舰队司令菲利普海军上将。而日本舰队的损失微乎其微：3架被击落，1架着陆时撞毁，2架受重伤，25架受轻伤。
10日晨，丘吉尔在伦敦的寓所接到了第一海军大臣语无伦次、声音怆然的电话：“首相，我不得不向您报告，‘威尔士亲王’号和‘反击’号都被日本飞机炸沉了。汤姆·菲利普已经淹死。”
“你确信这是真的吗？”
“毫无疑问，阁下。”
丘吉尔痛苦地放下话筒。他后来写道：“在整个战争过程中，我从没有受到过比这次更为直接的打击……。我在床上翻来覆去，这一消息使我不寒而栗，毛骨悚然。”
消息传到“长门”号，舰上一片欢腾。山本五十六终于以他的实战，证明了他一向主张的“航空优先”的观点是正确的。虽然在这之前，他就对自己精心策划的偷袭珍珠港行动一举击沉美军4艘战列舰感到满意，但却不感到自豪，因为作为一名有着强烈的道德观念的日本武士，他认为自己的舰队在美国睡熟时进行偷袭的行为并无光彩之处。而这次作战，是双方对等的在公海上的决斗。他排除众议，坚持用自己亲手培养起来的航空兵对世界上最精锐的军舰进行了无情的打击和毁灭性的攻击，从而宣告了海战史上空中打击时代的到来。如果说珍珠港的袭击证明飞机可以击沉静止的军舰，那么此战则无可争议地证明，大型战列舰主宰海洋的时代一去不复返了，从此以后，这些庞大的海上堡垒，只有在航空母舰战斗机提供强有力掩护的时候，才能成为有效的海上武器。对此，山本没有理由不感到高兴，他在“长门”号上宴请用了10打啤酒。一位参谋讨好地对他说：“长官，这回该封你为男爵或元帅了。”
山本回答说：“我对那些东西不感兴趣，要说奖励的话，还不如让我在新加坡买一块地，开设一个大赌场呢。到那时，世界上的金银财宝都会悄悄地集中到我们日本来。”语气中不无得意之处。12月12日，天皇裕仁对山本五十六赐语：“联合舰队航空部队歼灭敌方英国远东舰队主力于南中国海，宣扬威武于中外，朕特嘉奖。”此正可谓：山本有心巧安排，英舰无奈沉大海。欲知山本后来在南太平洋还有何举动，且待下章道来。
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