美军轰炸机不顾猛烈的对空炮火，从高空俯冲下来，发动了一次次攻击。这次攻击实施了18分钟。
“大和”号和“武藏”号厚厚的装甲将大部分命中的弹片都弹到海里去了。
两颗炸弹和一颗鱼雷击中了“武藏”号巨大的前舱壁，一门主炮的方向盘不能转动。但“武藏”号只是摇晃了几下，又继续破浪前进。
在“武藏”号一侧护航的重巡洋舰“妙高”号就没有那么幸运了。它在躲过两条鱼雷的袭击后，被第3条鱼雷击中，右舷后部的电机舱、轮机舱都灌满了水，航速顿时慢了下来，摇摇晃晃地退出阵列，以每小时15海里的速度调头返回文莱。
12时06分，第2大队的第二批31架轰炸机发动了第2轮攻击。攻击持续了9分钟。
一大早就因警报取消了早饭的日本水兵，此刻已是又累又饿，连饭团子也来不及塞进嘴里，又挣扎着爬进炮塔，开始了对空射击。
这一次，美国人把攻击的目标对准了“武藏”号和“大和”号。他们冒着猛烈的炮火实施俯冲轰炸，直到把全部鱼雷和炸弹丢光才离开战场。
战斗中，“大和”号总算把所有投向自己的炸弹和鱼雷都躲了过去，仅有两颗炸弹落在战舰附近，没有造成太大伤害。
“武藏”号的左舷则中了几条鱼雷和几颗炸弹，其中一颗炸弹炸开了前甲板，鱼雷炸破了舰舷。另一颗炸弹从炸开的甲板穿透进去，在底舱爆炸。爆炸后引起的火灾导致两个锅炉舱和一个轮机舱停止工作，通风管被堵塞，破裂的蒸汽管喷出大量蒸汽。因一部主机再无法继续提供动力，军舰航速渐渐减慢，被迫脱离大队。
13时30分，几乎没容得日军喘上一口气，美军44架飞机又开始了第3次攻击。这次攻击长达30分钟。
43架美军轰炸机中的半数飞机把瞄准镜对准了“武藏”号庞大的身驱。只见一颗又一颗炸弹被“武藏”号的甲板弹了出去，有十多颗炸弹在舰舷近处爆炸，掀起百余尺高的水柱，把整个战舰笼罩起来。可当水柱消失之后，那黑黝黝的小山一样的身躯又耸立在海面上。然而，“武藏”号没有能够坚持多久。5条鱼雷击中该舰右舷舰首，另有几颗炸弹也击中舰身，巨大的爆炸把舰首外钢板撕裂并翻卷起来，海水大量涌入，舰艏越垂越低，航速降至12海里。
栗田眼见“武藏”号陷入了行动不便的困境之中，命令旗舰发信号询问“武藏”的情况。“武藏”号舰长猪口敏平少将回答说：“放心，可以保持22海里的航速。”于是，栗田下令整个舰队的编队航速降为22海里，同时向菲律宾基地航空队发出急电：“我舰队正在锡布延海苦战，预计敌空袭将更加激烈。请求迅速向可能位于拉蒙湾方向的敌人航空母舰发起积极进攻。”应当说，这个措词谨慎的电报隐藏着栗田及属下官兵的极度不满，激烈的战斗已经进行了3个多小时，日本陆基航空兵却始终不见踪影。
整个舰队就像一名手持盾牌和短剑的武士，正以血肉之躯去面对敌人不断射过来的一支支利箭。在第3次空袭中，“大和”号被一颗炸弹和几颗近爆弹炸伤起火，所幸伤势不重。距它不远的“矢矧”号巡洋舰伤势较重，舰首被炸弯曲，海水从几个破裂处涌入，舰体前倾，航速减慢。
从美军飞机的第1攻击到第3次攻击，“武藏”号已经身中9枚鱼雷和7颗炸弹。此时，“武藏”号的航速再次从22海里下降至20海里，并从第一阵列中掉队，单独行驶在第2阵列之前。
迫于无奈，栗田使出了“非到万分紧急的关键时刻不能使用”的秘密武器：下令战列舰给主炮通通装上特制的“三式对空弹”，进行两败俱伤的射击。这种“三式对空弹”是日本海军专门为“大和”号和“武藏”号等战列舰研制的对空霰弹，以加强其防空能力。“三式对空弹”实际上是一种子母弹，一发炮弹内装6000多个小钢珠，用来摧毁低空俯冲的飞机十分有效，就像用火枪在近距离上打兔子一样，但对高空轰炸作用有限，而且不能轻易使用，因为它也会震坏主炮炮管。
