2月19日凌晨，赤城号舰岛，南云忠一和参谋长草鹿龙之介、参谋源田实讨论着已知的情报。首先是前一天飞行艇对于达尔文港的侦察报告，内容是港内舰艇稀少，但是附近的机场繁忙，敌方在此处可能部署有一定航空兵力。其次是昨晚8点13分，在靠近托雷斯海峡的海域巡逻的潜艇的汇报，发现不明船只高速向西航行，规模不详。3XzJpZ
南云认为自己舰队的意图可能已经暴露，东方可能有敌方舰队正在赶来，但是目前无法判断敌人的实力。草鹿龙之介提议将一半的97舰攻挂上陆用炸弹，一半挂上鱼雷。第一个攻击波次先对达尔文港的机场进行压制，同时起飞水上侦察机对东部的海域进行侦察，如果发现具有危胁的敌方舰队就起飞第二个波次攻击，如果没有就去攻击达尔文港内的舰船和设施。而源田实建议将一航战和二航战分开，由二航战对达尔文港发起攻击，一航战向东戒备，一旦发现敌方舰队，立刻发起进攻，这个建议得到了南云的采纳。3XzJpZ
等等，刚刚突然有传令兵来汇报，舰队东南方的空中出现了一架中型飞机。南云意识到自己的舰队可能已经暴露了，达尔文港的敌军可能已经有了防备，等到天亮马上就会来攻击自己。于是南云转向了草鹿的方案，力求先手彻底压制达尔文港的机场。3XzJpZ
4点30分，天刚蒙蒙亮，渊田美津雄大佐率领第一个攻击波次36架零式战斗机，30架99舰爆和42架97舰攻共计108架飞机起飞，向达尔文港扑去。同时南云下令利根号、筑摩号放出9架水上飞机向东侦察。5点10分，第二波次整备完毕，在甲板上待命。3XzJpZ
6点09分，在舰队上空巡逻的零式战斗机发现东南方向大约3500米高度有机群袭来，大约十余架，随后前往拦截，舰队未遭到损失。为了避免弹药在甲板上被引爆，南云下令甲板上的舰载机全部起飞，向东尾随返航的敌机。之后的一个多小时里，舰队几乎一直在遭遇小规模的机群的攻击，但在战斗机的保护和机动规避之下，没有航空母舰被命中。此时南云忠一确定有敌方航母存在，但是前来攻击的机群中无法确定有多少是从陆基机场起飞的，难以判断敌人航母的数量。3XzJpZ
6点15分，第一个攻击波次抵达达尔文港上空，敌人的抵抗非常微弱，渊田美津雄大佐回报，对敌方航空队造成了毁灭性的打击，至少60架敌机被摧毁在了地面，己方仅仅损失三架飞机。3XzJpZ
6点50分，水上飞机回报发现敌方舰队，距离200海里左右，至少存在一艘航空母舰，疑似存在一至两艘战列舰。南云忠一下令打破无线电静默，向第二个波次的指挥官江草隆繁少佐发报，指引敌方的具体位置。3XzJpZ
6点59分，日军截获电报，内容难以破译，信号源与水上飞机回报的位置有40海里的误差，南云判断这与刚才侦察到的是同一支舰队，水上飞机的报告存在误差，立刻联络江草修正方位。3XzJpZ
7点18分，舰队东南方出现庞大的敌方机群，数量大约六七十架，此时舰队上空的日军战斗机仅有十三架，难以拦截。在随后的攻击中，因为飞龙号在之前的规避中脱离大部队，靠向了东方，被敌机集中攻击，确认被命中的炸弹超过10发，整个甲板和上层变得惨不忍睹，同时燃起大火，进失弹使得舰体进水，向左侧倾斜，航速基本归零。11点36分，无法控制的火势引爆了弹药库，飞龙号殉爆沉没，山口多闻少将重伤，选择殉舰。小部分的美军飞机对其他几艘航母发起攻击，赤城号被命中一发，甲板严重损坏，暂时无法起降舰载机，航速降低到22节。南云通过敌机数量，判断敌方至少有两艘航空母舰，但是先前连续不断的攻击又使他怀疑有其他航母存在。3XzJpZ
7点30分左右，第二波攻击机群遭遇大量战斗机拦截，虽然日军凭借战斗机性能和飞行员素质的优势击落了大量敌机，但是因为数量不足，只能看着舰爆机和鱼雷机编队被攻击。3XzJpZ
8点左右，残余的日军飞机抵达了美舰队上空，舰型辨识为两艘约克城级航空母舰，虽然遭到战斗机和舰队防空的联合绞杀，但凭借着数量和飞行员优秀的素质，还是有不少日机完成了投弹，有的日机发起了万岁冲锋，江草隆繁少佐报告重创了敌方两艘正规空母。先前与美军战斗机缠斗的零式战斗机损失了4架，报告击落了四十余架敌机。3XzJpZ
此时的南云忠一判断敌人能够继续使用的航母还有一到两艘，命令赤城号向北撤离战场，自己转移到比睿号上指挥。加贺号和苍龙号回收第一波舰载机，然后向东南方移动，将比睿、雾岛及利根、筑摩剩下的水上飞机全部放飞侦察，寻找剩余敌人的位置，准备下一轮进攻。3XzJpZ
8点30分左右，舰队上空出现了十余架中型飞机，加贺号和苍龙号中止舰载机回收工作，进行规避。3XzJpZ
9点03分，西北方向低空发现十余架中型飞机，舰载机回收工作中止3XzJpZ
10点02分，舰载机回收完毕。南云下令尽快完成整备。3XzJpZ
10点30分，第二波舰载机返航，但因为机库已满，燃油耗尽的舰攻机和舰爆机只能迫降在水上，战斗机在上空盘旋。3XzJpZ
10点40分，水上飞机报告发现另一支美军舰队，不确定是否有航空母舰。3XzJpZ
11点01分，舰载机整备基本完成，但是在舰队东北方发现了敌方机群，大约20架，盘旋的战斗机以及紧急起飞的战斗机进行了拦截，舰队开始规避轰炸。3XzJpZ
11点15分，水上飞机确认美军舰队中有航母，疑似存在战列舰。3XzJpZ
11点30分，东南方高空发现敌方机群，大约20架，舰载机起飞停止，继续规避3XzJpZ
11点55分，南偏西方向高空发现十余架中型飞机，舰队继续规避轰炸，此时第一批起飞的零式战斗机燃油耗尽，迫降于水上。剩余的16架零式战斗机前往拦截。3XzJpZ
12点26分，南偏西方向低空发现十余架中型飞机，舰载机起飞中止，零战前往拦截。3XzJpZ
12点49分，东南方向出现了大规模的机群，此时航母上空的战斗机寥寥无几，甲板上堆满了装满弹药和燃油的舰载机，机库中的舰载机也有相当部分装满了弹药和燃油。哪怕加贺号和苍龙号极力规避，甚至出现了甲板上的舰载机被甩到海里的情况，但最终加贺号和苍龙号分别被确认命中6发和5发航弹，爆炸引发了机库中的弹药和航空燃油的连锁反应，最终使其瘫痪在海上。南云等人讨论了由水面舰队向东移动逼退敌方舰队，然后由其他舰船托曳航母撤退的方案，但是考虑到水上飞机的侦擦报告中提及的敌方战列舰，虽然渊田美津雄坚称太平洋方向上的美军战列舰已经在珍珠港中被全部歼灭或重伤，南云还是认为美军有可能已经从大西洋方向调集了多艘战列舰，保险起见应该尽快向北撤离。南云命令已经起飞的16架零战在空中巡逻，21架99舰爆前往帝汶岛上的机场降落，但是舰爆机的飞行员们违抗了命令，向东寻找美军航母。3XzJpZ
14点59分，舰爆机编队发现敌军舰队，舰型辨识为两艘约克城级，没有受伤痕迹。南云对此非常疑惑，根据战前的情报工作，美军应该一共只有3艘约克城级航母。舰爆机编队没有受到截击，牧野三郎大尉回报重创了敌方两艘航母。但是在返航的路上，舰爆机编队受到了截击，损失惨重，16架被击落，剩下的5架最终也是迫降在水上。3XzJpZ
15点55分，加贺号、苍龙号遭到鱼雷机攻击，意识到这两艘航母已经难以挽回，为了避免两舰被俘以及不必要的损失，南云忠一下令弃舰，由滨风、浦风、秋云、阳炎号进行雷击处分，空中的零战到帝汶岛降落。3XzJpZ
22时5分，伊25号潜艇发现敌方舰队，规模不详，共计发射六枚鱼雷，确认命中四发，疑似击沉一艘大型舰船，一艘小型舰船。3XzJpZ
本次战役日方统计损失正规航母3艘，飞机261架，一艘航母受伤；重伤敌方航母两艘，疑似击沉大型舰船一艘，击沉小型舰船一艘，摧毁飞机300架左右。3XzJpZ
经过海军军令部与联合舰队总司令部的讨论，在第九十六期大本营发表中，海军部发言人宣称带日本帝国海军于帝汶海海战中取得巨大胜利，击沉敌正规空母3艘，击伤1艘，击沉战列舰1艘，巡洋舰1艘，驱逐舰3艘，击落、摧毁敌机四百余架；己方损失正规空母1艘，受伤1艘，损失飞机一百余架。3XzJpZ