按照日军计划，此时应出动航空兵实施反击，但是航空兵已经在几天前的台湾空战中消耗殆尽，无力发起反击。在此情况下，日本海军仍按计划出动，栗田指挥的第一游击舰队的主力，计5艘战列舰，12艘巡洋舰，15艘驱逐舰，从新加坡驶抵文莱进行补给，并召开作战会议，确定最后的作战方案。10月22日，栗田舰队离开文莱，驶向菲律宾。
早在10月上旬，美军“鲦鱼”号和“海鲫”号潜艇就活动在南中国海，获悉美军登陆后，“海鲫”号艇长麦克林托克中校判断在新加坡的日军舰队极有可能经巴拉望水道前往莱特湾，便与“鲦鱼”号在10月22日深夜汇合，商定协同攻击方案，一同驶往巴拉望水道寻找战机。10月23日凌晨，这2艘潜艇在巴拉望岛以西海域发现了栗田舰队，他们一面向指挥部报告一面接近敌舰队。“海鲫”号赶到日军舰队航线的正前方，在2000米距离上对其中一路纵队的一号舰用艇首发射管齐射六枚鱼雷，随后转向180度，对二号舰用艇尾发射管齐射四枚鱼雷。遭到攻击的一号舰正是栗田的旗舰“爱宕”号重巡洋舰，被击中四枚鱼雷，随即产生横倾。栗田只得跳下水游到“岸波”号，因为驱逐舰的无线电通信设备太差，后又改以“大和”号战列舰为旗舰。二号舰是“高雄”号重巡洋舰，被击中2枚鱼雷，受到重创，一度丧失航行能力，经过抢修后才恢复航行，在2艘驱逐舰的护卫下返回文莱。就在日军舰队受到攻击、队形混乱时，“鲦鱼”号则接近另一路纵队，向“摩耶”号和“羽黑”号重巡洋舰各射出六枚鱼雷。“羽黑”号发现了鱼雷航迹，规避了过去。“摩耶”号也发现了鱼雷航迹，舰长下令右满舵规避，但航海长误为左满舵，在掉头中，被四枚鱼雷击中，舰体迅速倾斜在8分钟后沉没。
在海战的第一回合中，美军的2艘潜艇就给了日军一个下马威，击沉2艘、击伤1艘重巡洋舰。
锡布延海战
栗田司令官转移到巨型战舰“大和”号上并以“大和”号为旗舰，重整阵容，继续北上。24日8时刚过，栗田舰队进入锡布延海，锡布延海就像日本的濑户内海一样，把菲律宾群岛分成两部分（海面宽度是濑户内海的两倍以上）。突破锡布延海面向东进入太平洋，然后南下杀向莱特湾，这就是栗田舰队（主力舰队）的进军路线。此路沿途海面上航路狭窄，岛屿叠嶂，毫无疑问，这也是敌潜艇和飞机埋伏待机的最佳海域。但是，若南下突入莱特湾，这确是必经的险路，非突破不可。栗田最强大的“中心舰队”由“大和”号、“武藏”号、“长门”号、“金刚”号和“榛名”号5艘战列舰组成，还有12艘巡洋舰和13艘驱逐舰，企图突破圣贝纳迪诺海峡，攻击莱特湾内的登陆舰队。栗田主力舰队到达莱特湾的距离若算直线航程，大约有1000海里之遥，若采用警戒航行法或中途遇敌回旋的话，便可达1500海里。而且，前半程是敌潜艇待机的海面，后半程则进入了敌空袭圈。舰队的征途既险恶又遥远，而且，整个航程都充满着敌舰潜伏奇袭的危险，显然栗田舰队成功地抵达莱特湾的把握实际上并不是很大。
事情的发展果然不出所料，美国“无畏”号航空母舰上的飞机很快就发现了栗田舰队进入狭窄的锡布延海。而此时栗田舰队正分成两支舰群，一支以战列舰“大和”号为中心，一支以战列舰“金刚”号为中心，两者间隔12海里，摆成环形阵列，周围由驱逐舰包围，摆成一个圆形队列，向锡布延海驶去。
哈尔西立刻命令集结第三舰队的3艘航空母舰，分舰队集中攻击栗田舰队，从“无畏”号和“卡伯特”号航空母舰和其他航空母舰上起飞的共260架飞机开始对栗田舰队进行连续的攻击。“大和”号巨舰上装备的对空高炮、机关枪和每艘巡洋舰上拥有的上百门高射炮，立刻开火歼灭来袭的敌机，林立的炮管就像发怒的刺猬一样，其他警戒舰只的大炮也以90度的仰角凝视着天空。上午10时40分，激烈的海空战战幕拉开，日舰所有的大炮凶猛地喷吐着火舌，舰队上空顿时织出一张张密集的弹网，大有将胆敢来袭的美机一网打尽的架式。但是，如果各战舰为了躲避鱼雷而不得不进行闪避运动的话，高射炮的角度将失去统一，其结果必定使炮火分散，破坏了空中弹网的编织。因此，面对敌人的鱼雷轰炸机和俯冲轰炸机的猛烈空袭，密集炮火实际上也会渐渐失去威力。
“大和”号和“武藏”号成为美军主要攻击的目标，“妙高”号重巡洋舰负重伤被迫返回文莱。“武藏”号和“大和”号那坚韧无比的甲板把大部分命中的炮弹反弹到大海中去了，舰体几乎未受任何损伤。虽然两舰各自遭到1枚鱼雷的袭击，但并没有影响巨舰的航速，“不沉战舰”仍然威风凛凛地破浪前进。可是，好景不长，在被第二枚鱼雷击中的同时，又有几颗大型炮弹在“武藏”号的舰桥附近爆炸，致使该舰18英寸大炮的方位盘不能转动了，据推测这与鱼雷爆炸造成的震动有关。尽管如山一般的巨舰仍以27海里的速度破浪前进，但曾经一度在官兵中燃起的、用世界上独一无二的18英寸巨炮打通突入莱特湾的道路、给予敌航空母舰以致命一击的雄心顿时遭到了挫伤。在美军的第三次空袭中，3枚飞窜的鱼雷几乎同时击中了“武藏”号右舷的舰首，巨大的爆炸致使舰首外钢板被撕裂而翻卷起来，从而使“武藏”陷入了不能自由航行的困境之中，在遭到10多枚鱼雷的攻击后，于19时30分倾覆，沉入到锡布延海底。
与此同时，大西泷治郎中将驻吕宋岛的80架飞机袭击了“埃塞克斯”号、“本宁顿”号、“普林斯顿”号和“兰格利”号航空母舰。“普林斯顿”号被一枚穿甲炸弹击中起火，船上的200名水手丧生，旁边参加救火的“伯明翰”号轻巡洋舰上也有80人丧生，17时50分“普林斯顿”号沉没。
整个锡布延海战，美军共出动飞机269架次，以损失18架的代价，击沉日军1艘战列舰，击伤4艘战列舰、2艘重巡洋舰、1艘轻巡洋舰、2艘驱逐舰，并迫使其中的2艘重巡洋舰和2艘驱逐舰离队返航。当然美军自己也损失了“普林斯顿”号航空母舰，但与取得的战果相比，这点损失还是值得的。
苏里高海峡之战
在锡布延海战激烈进行时，南面战场上的苏里高海峡之战也爆发了。参加苏里高海峡之战的日军舰队有两支，一是西村中将指挥的第一游击舰队的第三分舰队，有3艘战列舰、1艘重巡洋舰、4艘驱逐舰。二是志摩清英中将指挥的第二游击舰队，有2艘重巡洋舰、1艘轻巡洋舰、4艘驱逐舰。
由于南路舰队和中路舰队严守电报寂静，西村无法与栗田和志摩协调他们的步骤。当他进入苏里高海峡时，志摩在他后面约40公里，而栗田还在锡布延海，离莱特岛的海岸还有好几个小时。西村中将指挥的舰队拥有战列舰“扶桑”号和“山城”号，重巡洋舰“最上”号，此外还拥有中级驱逐舰“满朝”号、“朝云”号、“山云”号、“时雨”号，这是一支力量薄弱的舰队。“扶桑”号和“山城”号两舰是日本无畏级战列舰的第一、第二号战列舰，其舰龄已超过30年。虽然其14英寸的主炮还健在，但该舰的航速低、耐久性差，防御能力十分薄弱，所以自开战以来，该舰一直在濑户内海专门用于海军训练。日军竟连这样老旧的军舰也拿了出来，由此可见“捷一号作战”的本质之所在，即“捷一号作战”是在“倾海军全部力量，打一场最后的决死之战”这样悲壮的决心下动员起来的。当然，“扶桑”号和“山城”号都进行了不小的改装，但无论怎样它们的性能还是不能让人满意。
此时，美国第七舰队已经严阵以待。由于美军战舰拥有性能优良的雷达，可以在夜间跟踪日本舰队，并且美国战列舰可以在日本军舰无法还击的距离上开火。西村部队遭到了美军鱼雷艇凶猛的攻击，25日凌晨2时20分，在鱼雷艇的集中攻击下，“山云”、“满朝”两舰被鱼雷击中而沉没，“朝云”身负重伤脱离编队。然而，西村却毫不畏惧，他把剩下的4艘军舰排成单纵队继续前进，于凌晨3时20分下达了准备突击的命令。日本舰队的“山城”号和“最上”号也不断被美军战列舰的穿甲炮弹重创，“最上”号巡洋舰丧失了机动能力。
志摩舰队的“那智”号和“足柄”号重巡洋舰以及8艘驱逐舰到达战场后，意识到通过海峡是毫无希望的，因此下令转身撤退。在混乱中旗舰“那智”号与“最上”号相撞，丧失机动能力的“最上”号第二天被美军击沉。西村的7艘军舰中只有一艘驱逐舰幸存。
25日凌晨3时30分，西村发出电报：“在苏里高海峡北口两侧发现敌驱逐舰和鱼雷艇，我驱逐舰遭到鱼雷攻击，‘山城’中鱼雷1枚，但无发生任何故障，继续航行。”这是西村中将向栗田司令发出的最后的两封战况报告，就在发电后不久，第二枚鱼雷又扑向旗舰“山城”号，“山城”号失去了自由航行的能力。于是，西村立即向自己指挥下的残余舰只发出了如下的命令：“我舰遭受鱼雷袭击，各舰不要管我，继续前进，攻击敌人。”这是西村留下的最后一句话。就在西村命令刚刚下达完毕的一瞬间，“山城”又被一枚鱼雷击中，引爆了炸药库，“山城”被彻底葬送了，全舰官兵同“山城”号一起沉入了苏里高海峡波涛汹涌的海水中。
此战中，日军有2艘战列舰、1艘重巡洋舰、1艘轻巡洋舰、4艘驱逐舰被击沉，还有1艘巡洋舰和1艘驱逐舰被击伤，包括西村中将在内约5000官兵阵亡。美军1艘鱼雷艇被击沉，1艘驱逐舰被击伤，阵亡官兵仅41人。经此一战，莱特湾南面的威胁被彻底解除。
恩加诺角海战
一直到10月24日下午16时40分，小泽的舰队才被发现，此时美军正在对付栗田的舰队和吕宋岛来的空袭。哈尔西相信栗田已经在锡布延海战中被击退，因此他于子夜后带领所有的三队航空母舰和威利斯·李上将的战列舰开始追击小泽。
10月25日晨，小泽下令75架飞机起飞攻击美军，但这些飞机没有造成多少损失，大多数飞机被美国战斗机击落，少数飞往吕宋岛。哈尔西亲自率领第三十四特混舰队的战列舰急速前进，准备用大口径舰炮直接去对付小泽舰队前卫的战列舰以及在舰载机空袭中掉队的日舰。
清晨，在还没有确定日军精确位置的情况下，美军就起飞了180架飞机。直到7时10分侦察机才找到了北路舰队，美军战斗机摧毁了保护舰队的30架日军飞机，开始不停地空袭。小泽舰队的航空母舰纷纷中弹，“千岁”号和一艘驱逐舰沉没，“瑞鹤”号、“千代田”号和一艘巡洋舰丧失了机动力。在击沉几艘日本航空母舰后，空袭集中在两艘改装的战列舰上，但它们密集的防空火力有效地抵挡了空袭。空袭一直到傍晚，小泽舰队作为诱饵的全部航空母舰，还包括一艘巡洋舰、两艘驱逐舰被击沉。
10月27日，小泽率残余的2艘航空战列舰、2艘轻巡洋舰、6艘驱逐舰驶入奄美大岛锚地。他的诱饵使命完成得十分出色，虽然损失4艘航空母舰、1艘巡洋舰、2艘驱逐舰，但是成功诱使哈尔西全舰队北上，为栗田的进攻创造了条件，尤其不容易的是把这支“自杀舰队”中的大部分军舰安全带回。
萨马岛海战
栗田的舰队于10月25日凌晨进入圣贝纳迪诺海峡，它们沿萨马岛的海岸向南进发，于黎明时分发现美国舰队。
当日本舰队在萨马岛出现时美军大吃一惊，哈尔西的舰队已经被诱敌战术调走远离莱特湾，但是栗田对此却一无所知，错误地将那些护卫航空母舰当做了美国的航空母舰舰队。美国护卫航空母舰立刻向东后撤，希望坏天气可以影响日本炮的精确度。美国驱逐舰企图分散日本战列舰的注意力来取得时间，这些驱逐舰自杀般地对日舰发射鱼雷，吸引日舰火力，4艘美国驱逐舰被击沉，但它们为航空母舰获得时间让其飞机起飞。然后，美军航空母舰继续南逃，而战列舰的炮弹不断在它们周围爆炸，一艘美军的航空母舰被击沉，其余受伤。
由于栗田舰队未完成整编队形便发动进攻，加上美军驱逐舰的攻击将其队形打破，各战队散乱在广阔的海面上。栗田舰队丧失了对战事的战术指挥，3艘重巡洋舰沉没。
不久栗田的舰队改变航向，驶往莱特湾。就在日本计划就要得逞的时候，栗田再次北转撤退。他感觉美军支持舰队正向他包围过来，因此他感觉参战的时间越长，他遭到美国强大空袭的可能性就越高。在不停的空袭下，他向北，然后向西穿过圣贝纳迪诺海峡。往返航行300海里的美军第3舰队于26日日出后，派舰载机对栗田舰队的掉队舰只进行了袭击。栗田的舰队“长门”号、“金刚”号和“榛名”号受重创，当其回到日本时，只有“大和”号还有作战能力。
在这次交锋中，美国海军也失去了护航航空母舰“冈比亚湾”号、驱逐舰“休斯敦”号、“霍埃尔”号和“罗伯茨”号4艘军舰。至此，莱特湾海战以美军的胜利而宣告结束。
日本海军的末日
莱特湾海战是太平洋战争中最后一次大海战，也是历史上最大的海战之一。在莱特湾战役中，美军损失轻型航空母舰1艘、护航航空母舰2艘、巡洋舰2艘和驱逐舰3艘，损失飞机100余架，伤亡2800多人。日军共损失重型航空母舰1艘、轻型航空母舰3艘、战列舰3艘、重型巡洋舰6艘、轻型巡洋舰4艘、驱逐舰11艘和潜艇6艘，损失飞机400余架，伤亡7400余人。日本海军的基本力量在战役中蒙受了巨大损失，在海上的日本战舰再也没有能力向美国海军发起挑战，美军掌握了全面的制海权和制空权。
这次海战的显著特点是，日本海军各编队之间缺乏统一的指挥，不能协同行动。无论日本海军还是美国海军，各编队之间互通情报都很差。美军在这次对日军的作战中取得了巨大胜利，掌握了全面的制海权和制空权，这对太平洋战争的进程产生了很大的影响。日本海军遭到毁灭性打击，不再对美国海军构成重大威胁。1944年12月20日，美军完全攻占了莱特岛，以后又利用该岛做基地，对菲律宾群岛上的其余岛屿展开了最后的进攻。
