良好的愿望替代不了残酷的事实，9月2日，也就是尼米茨率领TF48舰队历经千辛万苦终于率部队进入珀斯陆航800公里防空圈内时，冢原二四三率领联合舰队主力对圣诞岛的进攻完全展开。
形似一把斧子的圣诞岛有两个机场，一处位于斧刃处，一处位于斧柄处，直线间距30公里，但不幸的是都位于海岸线3公里范围内。冢原没像美军那样设想得那样兵分两处夹击，他率领舰队在雷克斯湾居中策应，同步炮击，整体发挥协调优势。
论炮术，没有雷达的话，美国海军给联合舰队提鞋都不配，冢原是航空战专家，他是从航空战视野来看炮战的。居中炮击，左右两翼略微分散的最大优势就在于航空兵力和防空阵型集约化使用。而由于日军是夜间抵近炮击的，虽然美国人做了疏散，但三式弹的威力还是非同小可，报销了三分之一的美军飞机。
所以圣诞岛上那200多架飞机只有100多架飞机发挥出了效能，不过海航的近距离攻击和特纳提出的穿梭轰炸还是给联合舰队造成了不小的麻烦和损失：
炮击编队中，能代号轻巡洋舰、最上号重巡洋舰被炸弹命中沉没——在堀悌吉的坚持下，在中途岛战役中受伤的最上号最后还是按重巡洋舰进行了修复而没有改为不伦不类的航空巡洋舰，不过照样改变不了被击沉的结局。
妙高、羽黑两艘重巡洋舰被命中1000磅重炸弹，一个舰艏受创，一个损失一座炮塔，但没有致命威胁；
大和、武藏、信浓三艘超级战列舰是美军的眼中钉，遭受多架飞机围攻，分别吃到1-2枚炸弹，均无大碍。
美军还出动了40多架挂载鱼雷的BTD和部分战斗机配合珍珠港的主力陆航去进攻在远处提供支援的日本航母编队，倒不是说美军原来不想攻击航母编队，实在是因为没有战斗机护航损失太大，这次至少P-51是可以用了，情况有所好转，为陆航B-29\B-27编队提供了更多的进攻机会，奈何连续损失熟练飞行员后，陆航人手紧缺的窘迫一览无遗，在日军飞行员竭力拦截下，全部美军飞机突破重围，一共投下了1100余颗1000磅、2000磅重的炸弹，但命中率低得惨不忍睹，连1%都没到（一般水平轰炸能达到2%以上，精英飞行员能达到3-4%），直接命中的只有10颗。
当然，这10颗直接命中的战果还是很可观的：
冲鹰号护航航母被命中1000磅、2000磅炸弹各1颗，直接沉没；
在打劫援苏物资、武藏破交中屡有斩获的大鹰号护航航母先是被命中1000磅重的炸弹1颗而重创，还没来得及脱离战场，又被命中鱼雷一条而沉没；
名取号、那珂号轻巡洋舰各中1颗2000磅炸弹，沉没；
旗舰大凤号中1000磅炸弹一颗，硬扛后无殊；
雄野号重巡洋舰先是替大凤号扛了一条鱼雷，进水后速度大减，美军一看有机可乘，又连续被命中1000磅重的炸弹2颗，最终挣扎着沉没。
该舰沉没后，大凤号左翼露出较多空档，西村祥治立即指挥铃谷号补上，但用于意识到炸弹对大凤号这种装甲航母没什么用，美军疯了一般用鱼雷去对付大凤，结果贴身保护的铃谷运气也很糟糕，只能充当肉垫，硬生生替大凤号抗下1条鱼雷，接着又被一颗2000磅重的炸弹炸沉。
至此，最上级4艘重巡洋舰和古鹰\青叶级4舰一样，全部葬身在美军之手，看着为保护自己而连续倒下的重巡洋舰，坐镇大凤号的角田觉治气得差点没把钢牙咬碎，在P-51掩护投弹完成的B-17和B-29们分别退走后，角田命令部分战斗机再次升空追击，硬生生又拼掉美军陆航16架轰炸机。
最后被炸弹命中的是贝亚恩号航母，这艘改建后的舰队航母在所有正规航母中速度最慢，所以1000磅炸弹找上了他，猛烈的爆炸之后，该舰速度大降，转向规避困难，但还能挽救，可惜3分钟之后又被命中1颗2000磅重的炸弹，动力全失，漂在水面上几乎无法挣扎，全舰被大火和硝烟笼罩，最后该舰在神社出身的大佐舰长指挥下宣告弃舰，舰长拒绝部下让其逃生的劝告，以微笑着祈祷的姿势与舰同沉。
这也是联合舰队发动第二种中途岛战役以来损失的第1艘正规航母。
9月2日、3日连续两天激战下来，日军舰艇损失惨重，美军陆海航损失同样不小——圣诞岛上140来架海航飞机全部报销，珍珠港陆海航损失了367架B-17或B-29，另外还额外损失了64架P-51，在拦截作战中，日军损失了43架战斗机，又在对地攻击中损失了36架攻击机，加上前一阶段作战的损失，已累计损失了138架作战飞机（飞行员半数获救），飞机损失率超过了22%。但由于已损失了1艘正规航母和多艘护航航母，可容纳的舰载机位置也大大减小，等于机动舰队基本还是满编的。
9月4日，栗林忠道指挥近卫第二师团展开登陆战，在连续轰炸、炮击之后，圣诞岛上美军的抵抗意志大为削弱，再加上飞机场被日军摧毁后珍珠港增援飞机已无航空力量，伤痕累累的陆海航也无法再发动大规模持续作战，日军占据了绝对的压倒优势。这样一来，角田所在的机动舰队便能稍微喘口气。
“在圣诞岛空战中，我们付出了极大牺牲，也取得了不错的战绩。”看着忧心忡忡的杜鲁门，特纳劝道，“我们击沉了3艘日本航母，打下了对方100多架飞机，还击沉了敌人至少6-7艘巡洋舰，3-4艘货轮，6-8艘登陆艇和至少4艘驱逐舰，在前一阶段激战中，我们还摧毁了对手至少7艘油轮和18万吨船舶……这两周我们累计消灭了日军近40万吨船舶，按照这个消耗速度，在联合舰队把血流干之前，他们是没有机会战略夏威夷的。”