Sekitar pukul 10.00 tanggal 7 April, Angkatan Laut Amerika Serikat melancarkan serangan udara dalam beberapa gelombang yang melibatkan hampir 400 pesawat dari sebelas kapal induk Gugus Tugas 58 di bawah komando Laksamana Madya Marc A. Mitscher. Kesebelas kapal induk tersebut adalah Hornet, Bennington, Belleau Wood, San Jacinto, Essex, Bunker Hill, Hancock, Bataan, Intrepid, Yorktown, dan Langley) yang ditempatkan di sebelah timur Okinawa. Pesawat yang turut serta terdiri dari pesawat tempur F6F Hellcat, pesawat pengebom tukik SB2C Helldiver, dan pesawat pengebom torpedo TBF Avenger. Selain itu, enam kapal tempur (Massachusetts, Indiana, New Jersey, South Dakota, Wisconsin, dan Missouri) yang dikawal kapal-kapal perusak (termasuk Alaska dan Guam) ikut ditugaskan mengadang armada Jepang bila serangan udara gagal.
Armada Jepang tidak dilindungi oleh kekuatan udara, sehingga pesawat-pesawat Amerika Serikat dengan mudah menyusun serangan tanpa takut adanya perlawanan dari pesawat-pesawat Jepang. Setelah penerbangan dua jam dari Okinawa, pesawat-pesawat Amerika Serikat tiba di atas armada Jepang, dan sempat memutar di atas formasi kapal-kapal Jepang, tetapi di luar jarak efektif senjata antipesawat. Secara teratur mereka memulai serangan ke kapal-kapal Jepang yang berada di bawahnya.
Serangan gelombang pertama pesawat Amerika Serikat dimulai pada pukul 12.30. Kapal-kapal Jepang menambah kecepatan hingga 25 knot (46 km/h), memulai manuver-manuver pengelakan, dan membalas dengan tembakan senjata antipesawat. Yamato membawa hampir 150 senjata antipesawat, termasuk senapan kaliber besar 460 mm yang dapat menembakan peluru khusus antipesawat "Umum Tipe 3". Pesawat pengebom torpedo sebagian besar hanya menyerang ke arah lambung kiri, maksudnya untuk meningkatkan kemungkinan kapal yang dijadikan sasaran untuk terbalik.
Pada pukul 12.46, sebuah torpedo menghantam Yahagi tepat di kamar mesin, menewaskan seluruh awak kamar mesin, dan mesin kapal terhenti. Delas buah bom tepat mengenai sasaran, dan Yahagi paling sedikit terkena oleh enam buah torpedo lainnya. Kapal perusak Isokaze mencoba membantu Yahagi tapi kena serangan, rusak berat, dan tenggelam tidak lama kemudian. Yahagi terbalik dan karam pada pukul 14.05. Para awak kapal Yahagi yang selamat terapung-apung di laut, dan dapat melihat Yamato di kejauhan. Yamato terlihat masih terus bergerak maju ke selatan, dan melawan serangan-serangan pesawat Amerika Serikat. Namun pada kenyataannya, nasib Yamato hanya tinggal beberapa menit lagi sebelum tenggelam.
Dalam serangan gelombang pertama, Yamato manuver pengelakan yang intensif. Sebagian besar bom-bom yang dijatuhkan ke arahnya tidak mengenai sasaran. Torpedo yang ditembakkan kapal-kapal Amerika Serikat juga luput. Namun, Yamato terkena dua bom penembus perisai dan sebuah torpedo. Gerak laju Yamato tidak terpengaruh, tetapi salah satu bom menyebabkan kebakaran yang tidak bisa dipadamkan di bagian belakang bangunan atas kapal. Selain itu, serangan gelombang pertama memakan korban kapal perusak Jepang Hamakaze dan Suzutsuki yang rusak berat dan mundur dari pertempuran. Tidak lama kemudian Hamakaze tenggelam.
Antara 13.20 dan 14.15, serangan gelombang kedua dan ketiga menjadikan Yamato sebagai bulan-bulanan. Yamato dihantam oleh paling sedikit delapan torpedo dan 15 bom. Ledakan bom menyebabkan kerusakan menyeluruh pada bagian atas kapal, termasuk mematikan listrik ke sistem pengarah senjata otomatis. Akibatnya, masing-masing senjata antipesawat harus diarahkan dan ditembakkan secara manual hingga mengurangi keefektifan dalam mengenai sasaran. Torpedo berulang kali menghantam lambung kiri Yamato hingga miring, dan sewaktu-waktu bisa terbalik. Pos-pos pengendali banjir telah hancur terkena bom hingga sulit untuk mengatasi banjir di dalam lambung kapal. Pada pukul 13.33, dalam keputusasaan untuk menjaga kapal dari terbalik, tim pengendali kerusakan Yamato membanjiri lambung kanan dan ruang boiler dengan air laut. Bahaya terbalik dapat dikurangi, tetapi usaha ini sekaligus menenggelamkan beberapa ratus awak Yamato di pos-pos mereka. Mereka sebelumnya tidak diberi peringatan kalau kompartemen mereka akan dibanjiri air laut. Korban nyawa awak kapal memberi tambahan waktu kepada Yamato untuk mengapung 30 menit lebih lama. Kerusakan mesin lambung kanan, ditambah beratnya air, membuat gerak Yamato melambat menjadi sekitar 10 knot.
Setelah Yamato makin pelan dan makin mudah dijadikan sasaran, pesawat torpedo Amerika Serikat mulai berkonsentrasi untuk menghantam bagian buritan dan kendali. Mereka berhasil menyarangkan torpedo, dan Yamato tidak dapat lagi disetir. Pada pukul 14.02, setelah diberi tahu bahwa Yamato sudah tidak bisa dikemudikan dan segera karam, Laksamana Itō memerintahkan misi dibatalkan, awak kapal segera meningalkan kapal, dan kapal-kapal sisanya untuk memunguti awak kapal yang selamat. Yamato berkomunikasi dengan kapal-kapal perang yang selamat dengan menggunakan sinyal bendera karena radio sudah hancur.
Pada pukul 14.05, Yamato tidak bergerak lagi dan mulai terbalik. Laksamana Itō dan para kapten menolak untuk meninggalkan kapal. Pada pukul 14.20, Yamato sudah terbalik dan mulai tenggelam (30°22′N 128°04′E). Pada pukul 14.23, Yamatotiba-tiba meledak dengan dahsyat sehingga menurut laporan suara ledakan bisa didengar dan asapnya bisa dilihat dari Kagoshima yang terpisah 200 km dari pusat ledakan. Asap ledakan berupa awan berbentuk jamur yang membubung setinggi 6 km. Menurut laporan, ledakan ikut menjatuhkan beberapa pesawat Amerika Serikat yang menyaksikan tenggelamnya Yamato. Ledakan diperkirakan terjadi akibat kebakaran yang disebabkan ledakan bom menjalar ke ruang amunisi.
Sewaktu mencoba pulang ke pangkalan, kapal perusak Jepang Asashimo dibom pesawat Amerika Serikat dan tenggelam bersama seluruh awaknya. Kapal perusak Jepang Kasumi juga tenggelam akibat serangan pesawat-pesawat yang berpangkalan di kapal induk. Walaupun seluruh haluan kapal hancur, Suzutsuki pulang dengan selamat ke Sasebo, Nagasaki dengan cara berlayar sambil mundur.
Kapal-kapal perusak Jepang sisanya yang tidak begitu rusak (Fuyuzuki, Yukikaze, dan Hatsushimo) berhasil menyelamatkan 280 awak kapal Yamato yang masih hidup (total awak kapal Yamato berbeda-beda menurut sumbernya, antara 2.750 hingga 3.300), ditambah 555 awak kapal yang selamat dari Yahagi (total awak kapal: 1.000), dan hanya di atas 800 awak kapal yang selamat dari Isokaze, Hamakaze, dan Kasumi. Total 3.700 hingga 4.250 personel Angkatan Laut Kekaisaran Jepang tewas. Pelaut yang selamat diangkut pulang ke Sasebo.
Total 10 pesawat Amerika Serikat ditembak jatuh oleh senjata antipesawat Jepang, beberapa dari awak pesawat diselamatkan oleh pesawat amfibi atau kapal selam. Secara keseluruhan, hanya 12 prajurit Amerika Serikat tewas. Beberapa awak kapal Jepang yang selamat melaporkan bahwa pesawat-pesawat tempur Amerika Serikat menembaki awak kapal yang terapung-apung di laut dengan senapan mesin. Awak kapal Jepang yang selamat juga melaporkan pesawat-pesawat Amerika Serikat untuk sementara menghentikan serangan ke kapal-kapal perusak Jepang yang sedang sibuk memunguti awak kapal yang selamat.
Selama pertempuran laut terjadi, sesuai rencana, Angkatan Darat Jepang melakukan serangan udara ke armada Angkatan Laut Amerika Serikat di Okinawa. Namun Jepang gagal menenggelamkan sebuah kapal pun. Sekitar 115 pesawat terbang, sebagian di antaranya melakukan serangan kamikaze, menghantam kapal-kapal Amerika Serikat sepanjang hari 7 April. Pesawat-pesawat Jepang menghujamkan diri ke Hancock, kapal tempur Maryland, dan kapal perusak Bennett hingga menyebabkan kerusakan sedang di Hancock dan Maryland, tetapi Bennett rusak berat. Sekitar 100 pesawat Jepang hancur dalam serangan.