嘉手納和讀谷機場是日軍沖繩防禦體系的核心，這裡不但構築了以坑道為主體的完備堡壘工事群，而且是沖繩日軍最精銳的第九師團的防地，另外，守備部隊司令官牛島中將把自己的指揮部也設在這裡，準備與美軍決一死戰。
11月7日上午6點整，美軍航母編隊一舉出動兩百架轟炸機，對日軍陣地進行地毯式轟炸，把百餘噸航空炸彈和燃燒彈傾瀉而下，爆炸產生的煙柱升起兩百多米高，遠在幾十公里外都看得到，方圓十幾公里的地面陣地頓時淹沒在衝天的烈焰之中！
轟炸機輪番俯衝轟炸掃射，航空母艦不停地起降飛機，美軍航空兵在兩個小時的時間內出動了四百多架次，對日軍陣地進行了持續不斷的轟炸，與此同時，火力支援艦隊的所有遠程火炮和陸戰隊的陸上炮兵群猛烈開火，把數百噸鋼鐵和炸藥砸了過去。
日軍的工事基本上都深埋在堅硬的地面下，美軍的轟炸和炮擊雖然把暴露在地面的部分悉數摧毀，但是給日軍造成的損失卻微乎其微，等美軍炮火開始延伸射擊、海軍陸戰隊展開攻勢之後，步兵第44旅團的殘部迅速從坑道進入地面工事，用兇猛的火力迎擊美軍，將其攻勢一次次地瓦解掉，進展非常緩慢。此時，被牛島中將寄予厚望的第九師團主力部隊悄悄向陣地縱深處集結，準備發起全面反攻。
七點三十分，四百六十餘架海軍飛機和三百餘架從分散在九州島內的十幾個機場上緊急起飛，然後在九州南部海域編成三個編隊，浩浩蕩蕩地向美軍航母編隊殺來，其中一半以上是自殺飛機！機群剛剛出發不久，由兩艘攻擊航母、三艘戰列艦改裝的航母、三艘護航航母、五艘巡洋艦和十二艘驅逐艦組成的航母編隊從瀨戶內海的海軍基地傾巢而出，浩浩蕩蕩地向沖繩海域駛去；航母編隊出發之後兩個小時，由十一艘戰列艦、十二艘重型巡洋艦、七艘輕型巡洋艦和十九艘驅逐艦組成的攻擊艦隊也悄無聲息地離開了錨地，借著海岸線的掩護，緩緩向九州島最南端靠近。
根據海相山本五十六親自製定的反擊計畫，日軍將在沖繩戰役進入僵持階段、美軍特混艦隊忙於攻擊陸上目標的時候，集中全力對美軍航母艦隊進行猛烈突擊，徹底挫敗盟軍對沖繩的登陸行動——第一步，部署在九州島的海軍第五航空艦隊和陸軍第六航空軍出動七百架作戰飛機，對美軍航母編隊發動連續而猛烈的攻擊，打亂美軍的陣腳；第二步，日本航母編隊以三百四十餘架艦載機發動第二輪攻擊，最大限度的殺傷美軍的航母；第三步，攻擊艦隊在夜色降臨之後逼近航母編隊，用艦炮發動最猛烈的攻擊！另外，沖繩守備部隊將在聯合艦隊發動進攻的同時發起反擊作戰，將海軍陸戰隊殲滅在灘頭陣地上！
這份近乎瘋狂的作戰把山本五十六的賭徒特性完完全全地體現出來——要麼大贏，要麼輸個精光！七百架飛機和龐大的航母編隊居然都被用來做誘餌，真正的殺手鐧居然是早就淪為海戰配角的戰列艦和巡洋艦，除了山本五十六之外，可能沒有人能夠想得出來，或者說，即使想得出來，也未必有膽量、有決心付諸實施。其實，幾年前橫掃太平洋的日本海軍聯合艦隊只剩下了幾艘陳舊不堪的老舊航母和載不了幾架飛機的戰列艦改裝航母，完全失去了和美軍進行海上決戰的能力，與其龜縮在海軍基地坐以待斃，還不如出動出擊，以自己的犧牲來挽救帝國滅亡的命運，這也是裕仁天皇最終首肯了這個計畫的原因！
八點四十五分，美軍部署在沖繩島北五十海里處的預警飛機發現了高速飛來的日軍機群，警報在第一時間回傳到艦隊司令部，方圓數百公里的海面上頓時響起了凄厲的防空警報聲，一架架戰鬥機騰空而起，在艦隊上空編組之後，全速向北飛去；戰列艦和巡洋艦緊緊護衛在航空母艦的四周，密集的高射炮口斜指向航母的上空；靠近海灘的登陸編隊匆忙後撤，擺成防空陣位。
九時許，三百多架美軍戰鬥機與日軍機群在距離航母編隊僅僅十幾海里遠的空中相遇，雙方隨即在方圓數百公里的空域廝殺起來，密密麻麻的飛機幾乎把陽光都遮擋住了！
技術嫻熟的美軍飛行員駕駛著性能先進的戰鬥機猛虎下山般地殺了過去，密集的子彈和炮彈在天空中划出無數到彈痕，狂暴地橫掃過去，在日軍機群中爆出朵朵火花，三千米的高空上，不時傳出響徹雲霄的爆炸聲，飛機的碎片天女散花般地飄落下來，負傷的飛機拖著長長的煙柱，翻滾著墜落大海，濺起數十米高的水柱！
日軍飛行員自知不是美軍的對手，於是連最基本的規避動作都省掉了，在猛烈開火的同時，全速向美軍戰鬥機衝撞過去，很多美軍戰鬥機躲閃不及，被撞得凌空爆炸，變成一個耀眼的火球。美軍戰鬥機群隨即調整戰術，利用速度和機動性的優勢，進行中遠距離的進攻，避免與日軍近身纏鬥，這樣一來，日軍連自殺的機會都沒有了，空戰很快就變成了一邊倒的屠殺！日軍戰鬥機一架接一架被擊落，但是其餘的戰鬥機卻死戰不退，依舊不停地向美軍衝擊，僥倖衝破封鎖線的戰鬥機就近選擇一艘艦艇，全速衝撞過去！
激烈的空戰持續了整整四十分鐘時間，日軍第一攻擊波的兩百四十架戰鬥機只有三十多架抵達了艦隊的上空，但是絕大多數被美軍的防空炮火擊落，成功實施撞擊的只有七架戰鬥機，獲得的戰果是擊沉、擊傷驅逐艦各一艘！
燃料已經耗盡的美軍戰鬥機群剛剛返回母艦，隱蔽在雲層之中的日軍攻擊機群突然俯衝下來，連人帶機向艦艇砸了下去，部分攻擊則在距離目標十幾公里的時候施放出攜帶的新式武器——是火箭助推的載人航空炸彈！這種炸彈裝有一噸烈性炸藥，由三台固體燃料火箭發動機推進，時速高達八百公里，在敢死飛行員駕駛下沖向目標，給美軍造成了極大的殺傷。
日軍的一百二十架攻擊機全部被擊落，但是卻擊沉了美軍驅逐艦兩艘、登陸艦三艘，擊傷戰列艦一艘、驅逐艦六艘、護衛艦三艘、掃雷艦、佈雷艦和登陸艦各一艘，取得了一定的戰果。
美軍意識到問題的嚴重性，急忙起飛了四百多架戰鬥機，在艦隊四周警戒，剛好與日軍的最後一個攻擊波遭遇，再次爆發激戰。日軍採用了完全相同的戰術，不顧美軍戰鬥機的火力攔截，全力攻擊航空母艦，最終成功地擊沉了一艘護航航母，擊傷一艘攻擊航母，並擊傷戰列艦和重型巡洋艦各一艘，戰果堪稱輝煌！
中午十二點三十分，部署在沖繩和九州之間海域的兩艘美國潛艇發現了日軍航母艦隊正以二十節的航速高速前進，潛艇沒有對日艦進行攻擊，而是將敵情迅速向特混艦艇報告。尼米茲接到報告後，立即派遣一支由兩艘航母、六艘戰列艦、七艘巡洋艦和二十艘驅逐艦組成的攔截艦隊，從沖繩海域迅速北進，儘可能引誘日軍艦隊向南，使其得不到岸基航空兵的支援，也不能迅速撤回本土，然後出動第51特混編隊的航母艦載機實施攻擊。
下午三點整，美軍第一攻擊波起飛戰鬥機一百五十架，俯衝轟炸機五十架和魚雷機一百二十架，共計三百二十架，向日軍艦隊所在海域飛去。
日本航母艦隊派出的偵察機也發現了美軍艦隊的蹤跡，三百多架艦載機悉數升空，向美軍艦隊撲去，甲板空空如也的航母立即調頭返航，妄圖逃脫滅亡的命運，護航的巡洋艦和驅逐艦則全速前進，伺機攻擊美軍艦隊。
三點四十分，雙方龐大的機群在空中交錯而過，徑自向對方艦隊飛去。
四時許，美軍機群首先抵達了日本艦隊的上空，隨即開始攻擊。
日本艦隊撒開一個色彩繽紛的高射炮火網，戰艦左閃右避，躲避炸彈和魚雷，可是日艦的末日已至，無可挽回，兩百餘架美軍艦載機把日本艦隊打得七零八落！航空母艦『千歲』號受了致命傷，冒出陣陣濃煙，嚴重傾側，已不能行駛；驅逐艦『秋月』號被炸得四分五裂；輕航空母艦『瑞鳳』號中彈起火。
四點二十分，美機第二攻擊波趕到，日軍艦艇接連中彈，在海面上亂作一團。黃昏來臨之後，美軍攔截艦隊趕到，戰列艦和巡洋艦用大口徑火炮抵近射擊，把日軍艦艇逐一送到了海底。
肩負重要使命的日軍艦載機群在美軍戰鬥機和防空火炮的死命攻擊下，只有一百二十架突破了攔截，成功地投彈和發動自殺攻擊，擊沉美軍艦艇八艘、擊傷十二艘。