5月7日4時許，由于已基本得知美艦隊的方位，日機動編隊派出12架艦載機分為6組，在180度至270度方位之間，250海里距離內搜索敵人。5時45分，向南搜索的日機報告︰「發現敵航空母艦、巡洋艦各1艘」。6時至6時15分，先後從瑞鶴號起飛零式戰斗機9架、轟炸機17架、魚雷機11架，從翔鶴號起飛零式戰斗機9架、轟炸機19架、魚雷機13架。共78架日機，向所發現的目標飛去。但到達目標上空才發現並不是美軍的航母編隊，而是6日下午與弗萊徹本隊分手的尼奧肖號油船和西姆斯號驅逐艦，兩艦各放大一圈，肯定象一艘航母和一艘巡洋艦。日突擊機群飛臨該隊上空，發現不是航空母艦，則于附近海面反復搜索兩個小時，仍未找到其他目標。其中的魚雷機未進行攻擊，9時15分開始返航，而36架俯沖轟炸機則于9時26分至40分間才很不情願地對最初發現的目標進行了攻擊。牛刀殺雞就是這種感覺，西姆斯號被擊中3顆250公斤的炸彈，其中有2顆在機艙爆炸，不到60秒鐘就沉沒了。尼奧肖號被擊中7顆炸彈，載著大火在海上飄了幾天後沉沒。
這時弗萊徹的美航母主力與油船分手後正在向西行駛，以期攔截日軍的登陸艦隊，但美艦隊同樣犯了同樣的錯誤︰沒有發現機隊部隊。黎明之後兩個小時，列克星敦號上的一架巡邏機發回報告「發現了兩艘航母和四艘重巡洋艦」。弗萊徹以為這是日軍的航母部隊，則決定以其全力實施攻擊。由列克星敦號派出俯沖轟炸機28架、魚雷機12架、戰斗機10架，由約克城號派出俯沖轟炸機25架、魚雷機10架、戰斗機8架，共計93架艦載機先後飛向目標。飛到目標後，才發現是兩艘輕巡洋艦和兩艘炮艇，這是日軍登陸的掩護部隊，由于密碼錯誤，被夸大成一支突擊部隊。但美軍終于發現了被夸大了的艦隊中值得攻擊的目標︰祥鳳號航母。93架美國戰斗機和轟炸機經過半個小時的輪番進攻，祥鳳號已中了13顆炸彈和7條魚雷。井澤下令棄艦。幾分鐘後，祥鳳號沉沒，海面上只有一團黑煙和一片油污在珊瑚海擴散開來，標志著日本帝國海軍在這里喪失了第一艘大型艦只。
5月7日上午，美日雙方攻擊艦隊剛好處于相互攻擊範圍的邊緣，但雙方由于技術原因而沒有發現對方，相互錯過了先發治人的時機。美軍犯的錯誤更為危險，因為其出擊的艦載機偏離了其主要威脅達90度以上，但美軍取得的戰果也更大－敲掉了一艘航母；聯合艦隊犯的錯誤很可惜，因為他們至少知道他們的主要目標大致位置。待第五航空戰隊想糾正錯誤的時候，就面臨一個時間的問題︰下午14時起飛，18時(日落後2小時)才能返航，這在1942年並不是一個容易作的決定，但第五航空戰隊原忠一中將還是派12架轟炸機和15架魚雷機14時15分離艦，向預想的目標飛去，黃昏時分，這些飛機實際上是從美艦隊上空飛過的，但由于天氣原因並沒有發現目標，等到返航時才發現美艦隊，但這些戰機已拋掉了炸彈，並遭到美野貓戰斗機的攔截。在暮色中，幾架迷失方向的日本飛行員錯誤地試圖在約克城號上降落。但由于識別信號不對，被高炮手發現並將其中的一架擊落入海，另外幾架慌忙逃入黑夜中。這使弗萊切也意識到，日海軍航母就在附近，而決定這場海戰結果的航空母艦之間的決斗必定在第二天進行。
5月8日出前最後一個小時里，珊瑚海兩百海里內四艘航母上完成著同樣的準備工作，唯一不同的或許是為美國飛行員發的是巧克力，而日本飛行員發的是米糕。偵察機都在日出前出發了。命運注定搜索的飛機幾乎將同時發現彼此的目標。八時十五分，美軍飛行在最北邊的偵察機發回報告︰敵人的航空母艦特遣艦隊在列克星敦號東北約一百七十五英里的海面上以每小時二十五海里的速度向南行駛。僅僅幾分鐘以後，美國航空母艦的無線電台收到了日本人興高采烈的報告，顯然表明他們自己也被發現了。隨後約克城號和列克星敦號共起飛15架戰斗機、46架轟炸機和21架魚雷機共82架飛機撲向日本艦隊。一小時零三刻鐘以後，美突擊機隊發現翔鶴號和瑞鶴號正向東南方向行駛，兩艘航空母艦之間相距八英里，各由兩艘重型巡洋艦和驅逐艦護航。
正當美國人利用寶貴的幾分鐘，在團團積雲里組織進攻的時候，翔鶴號趁機出動了更多的戰斗機，瑞鶴號則躲進下著暴雨的附近海面。向著嚴密防衛著的敵人艦隊的航空母艦發起首次進攻的美國飛行員，面對真正的強敵時還是亂了陣腳。魚雷機和俯沖轟炸機被零式戰斗機沖散，且缺乏配合，魚雷射進海里，偏離目標很遠，轟炸是盲目的。只有兩顆炸彈擊中翔鶴號，翔鶴號飛行甲板上因油燃泄漏而起火。十多分鐘以後，列克星敦號上的飛機趕來了，但難于發現厚厚的雲層底下的敵艦。使進攻受到進一步的挫折。只有十五架轟炸機好不容易發現了一個目標，但它們只有六架野貓式戰斗機保護，很容易被零式戰斗機沖散，魚雷進攻再次失敗，轟炸機又只投中一枚炸彈。（然而，美國飛行員的報告卻不是這樣。泰勒上尉在第一次攻擊之後樂觀他說︰「左舷首尾約五十至一百英尺、從吃水線到飛行甲板是一片火海……在發動進攻之後約十五分鐘，最後看到這艘航空母艦時，火燒得很猛烈。據信它受到了非常嚴重的破壞，最後沉掉了。」）
所剩的43架美軍飛機返航時，卻發現日本對手能夠發動更有效的進攻。由于有雷達，列克星敦號的戰斗機指揮官在敵機仍然在東北方向七十多英里的空中時就能知道它們的到來，並起飛戰隊機進行截擊。但第5航空戰隊的69架艦載機在尚未受攔截之前已經分成了3個攻擊隊。日魚雷機隊首先飛臨美艦上約克城號。由于該艦靈活地進行規避，日機的攻擊未見成效。但是，在環形警戒序列中的兩艘航空母艦都在自行進行規避的結果，使這兩艦之間的距離迅速拉大、警戒艦只也隨之一分為二，從而削弱了對空防御，給日機以可乘之隙。日機對約克城號左舷投射8條魚雷，均被該艦避開。在隨後轟炸機隊開始對約克城號俯沖投彈。有一顆800磅的炸彈擊中了該艦艦橋附近的飛行甲板，但仍能繼續戰斗。日魚雷機隊攻擊列克星敦號時，成功地運用了夾擊戰術，從該艦艦首的兩舷、15－70米高度、1000－1500米距離投射魚雷。列克星敦號由于噸位較大，回圈半徑較大，轉彎不靈活，日機投射的13條魚雷中有2條擊中該艦左舷，使其鍋爐艙有三處進水。
列克星敦號正在拼命規避魚雷時，日轟炸機隊又開始對其進行攻擊，又有2顆炸彈命中目標。這場遭遇戰只持續十三分鐘，日本人飛走的時候，興高采烈地報告他們替前一天祥鳳號的失敗報了仇，毫不含糊地擊沉了一艘「大型航空母艘」和一艘「中型航空母艦」。實際上，列克星敦號盡管由于被魚雷和炸彈擊中，產生7度橫傾，但該艦調整燃油之後，恢復了平衡，繼續接納返航的飛機著艦。同時為戰斗機加油加強制空。但由于燃油泄漏，列克星敦號艦內突然發生爆炸，並引起大火，火勢迅速蔓延，以至無法控制。下午15時左右，艦長下令全體艦員離艦。17時許，費爾普斯號驅逐艦奉命對其發射5條魚雷，列克星敦號于17時56分沉沒。已經降落到該艦的36架飛機也隨之沉入大海。美第17特混艦隊約克城號上雖然尚有轟炸機和魚雷機27架、戰斗機12架，但已入夜，弗萊切無意再戰，遂率隊撤離戰場。第二天，瑞鶴號的飛行員為追擊美艦再次進行偵察巡邏時，海上只有列克星敦號的殘骸了。
交戰結果，雙方幾乎打成了平手。美方被擊沉1艘大型航空母艦「列克星敦」號、1艘油輪、1艘驅逐艦、損失66架飛機、死亡543人，「約克城」號航母受重創；日方被擊沉1艘輕型航母「祥鳳」號、損失77架飛機、死亡1074人、「翔鶴」號航母受重創。日本取得戰術上的勝利，美國取得戰略上的勝利。
這次海戰是太平洋的第二個勝利，第一個自然是200師在緬甸圍殲56師團了，他們的戰略勝利意義深遠，直接影響到後來的戰爭進程，對兩國的戰事印象非常之大。