米切尔率领谢尔曼、戴维森的2个航空母舰特混大队和杜博斯的水面舰艇群继续北上追击，以便再对日北部舰队实施空中突击。将近中午，第三次派出突击机群大约200架飞机去袭击残存的日航空母舰。结果，“瑞凤”号被重创，但仍浮在水面。“瑞鹤”号被3枚鱼雷击中而沉没。在参加袭击珍珠港的几艘日本航空母舰中，“瑞鹤”号是最后被击沉的一艘，除中途岛海战外，它参加了太平洋战争中的历次航空母舰之间的交战。
从25日午后开始，美舰队第四次派出突击机群，终于击沉了浮在水面上奄奄一息的“瑞凤”号航空母舰。美舰队第五次派出的突击机群，实施最后一次突击。美军集中轰炸了改装的日“伊势”号战列舰，有几颗炸弹在该舰附近爆炸，但无一命中。下午2时许，米切尔认为他的航空母舰舰队过于靠近日军，为了安全考虑，便率领谢尔曼和戴维森两个特混大队转而向东航行，只派杜博斯率领的水面舰艇部队继续北进，以摧毁受伤的日舰。但是，在杜博斯的水面舰艇部队前去击沉小泽放弃的最后一艘航空母舰“千代田”号时，日北部编队的大部分舰只已远远离去了。小泽舰队作为诱饵的航空母舰虽然全部被击沉，可是，他竟把另外13艘水面舰只中的10艘带回本国，出色地完成了诱敌任务，取得了出乎意料的成功。小泽不仅使栗田舰队免遭全军覆灭的下场，而且也使自己率领的“自杀部队”中的大部分舰只免遭厄运。
然而，日军却未通过小泽舰队的行动达到所期待的最终目的。由于小泽与栗田的无线电通信联系中断，虽然莱特湾内的美军登陆输送队已处于日舰炮有效射程之内，但是栗田舰队并未实施突击。10月25日凌晨1时许，栗田率领的主力舰队驶出圣贝纳迪诺海峡，进入太平洋，立即发出战队警报，变为夜航的搜索队形，小心翼翼地向东航行。凌晨3时，栗田舰队向右转向，沿萨马岛海岸向东南航进。当栗田沿此航向前进时，接到西村的最后一份电报：南部编队在苏里高海峡遭到美军的袭击。1小时后，栗田又接到志摩来电：我部正在撤离战场。根据这两份电报，栗田正确地判断出，日军在南面的突击行动已被挫败。但是，栗田却与北面的小泽舰队失去了联系。
25日日出时，栗田舰队由夜航的搜索队形变为防空的环形队形，所属舰只成数列纵队前进。变换队形的信号刚一发出，“大和”号旗舰桅杆楼上的瞭望哨就报告：在东面的水天线处出现了几个黑点。不一会儿，从“大和”号的舰桥上用目力即可看见航空母舰及其警戒舰只的舰桅，接着又看到了舰体。栗田的参谋们一致认为，肯定是碰上了哈尔西第三舰队的航空母舰特混舰队，水天线处的舰只就是美国的航空母舰群、巡洋舰群、驱逐舰群和几艘战列舰。然而，哈尔西的舰队当时正在300海里以外的北面海域，准备对小泽舰队实施突击。
在东方的晓雾中，栗田及其参谋们刚才看到的，实际上是斯普拉格海军少将指挥的第三护航航空母舰大队。有的参谋兴致勃勃地向栗田建议，与其袭击美军的货船和运输船只，不如袭击面前这支强大的航空母舰特混舰队。可是，栗田却自有打算。他知道，不能指望友军给予空中支援，而自己部队的防空火力也不够强。然而，海战是不可避免。在这种情况下，栗田应改变战斗序列，在战列舰和重巡洋舰的掩护下，派出轻巡洋舰和驱逐舰前去实施鱼雷攻击。但是，栗田却没有这样做，而命令部队变成防空序列。正在变换队形时，栗田命令舰队对敌实施攻击。这就犯了一个致命的错误，各个分队自行指挥，航速快的冲在前面，使栗田舰队完全陷入混乱之中。晨6时58分，栗田舰队的舰炮开始射击。
当时，斯普拉格比栗田更为惊慌，当巡逻机报告发现敌舰队后，他就在西面海上看到日舰的塔形舰桅，遂命令本大队转向，迎着东南风航进。这样，即可以加大与日舰之间的距离，又可以使飞机起飞。接着，舰载机就腾空而起。当日舰炮弹在护航航空母舰周围掀起巨大的水柱时，斯普拉格命令各舰施放烟幕，全速规避，迅速驶入附近的降雨水域。但是，斯普拉格做梦也没想到，这些航速低、吨位小的护航航空母舰和一些战斗力不强的警戒舰会要同日本的快速水面舰艇部队交锋。鉴于此种情况，斯普拉格立即用明码发报，请求援助。之后就出现了世界海战史上一场罕见的追击战，这场追击战竟以意想不到的结果而告终。
斯普拉格率领部队在暴风雨中转而向南航进。他认为，第七舰队的水面舰艇部队一经获悉他处于险境之中，便会赶来支援。如果开往莱特湾方向，就有希望在途中遇上援兵。不久，美军的这个大队从暴风雨中驶出，再次暴露在日军面前。但是，栗田舰队既不切断斯普拉格大队的退路，也不对其实施突击，却继续沿着原来的航向向东追击。栗田企图在美航空母舰部队的上风占领阵位，以阻止美舰迎风航行，使其舰载机不能起飞。
上午8时，日本的几艘战列舰和重巡洋舰从斯普拉格大队的舰尾方向追来，还有几艘重巡洋舰从其左舷逼近，大有断其后路之势，迫使斯普拉格逐渐向西南方向运动。将近9时，原来在战列舰后面跟进的一支巡洋舰和驱逐舰部队到达斯普拉格大队的右后方，显然是企图对其合围。不久，双方的水面舰只就交火了。斯普拉格派3艘驱逐舰，后来又派3艘护卫舰，前去对来袭的日本驱逐舰进行火炮射击和鱼雷攻击。在发起进攻前，美一位护卫舰舰长鼓励官兵说：“我们是同绝对优势之敌进行殊死搏斗，不能抱有活下来的希望。”这几艘美舰在日军大口径舰炮的密集射击下破浪前进，迫使日舰进行鱼雷齐射，施放烟雾，尔后退入暴风雨中。
在首次攻击中，美“约翰斯顿”号驱逐舰发射的一枚鱼雷击中了日“熊野”号重巡洋舰，使其丧失机动能力。未过几分钟，其他几艘护卫舰也对“岛海”号和“筑摩”号重巡洋舰实施了鱼雷攻击。日“铃谷”号重巡洋舰被一颗炮弹击中，航速减至20节，后来驶到“熊野”号附近，接走战队司令官及其参谋人员。但“铃谷”号也没赶上队伍，再未参加这场追击战。斯普拉格大队上述攻击行动的最大效果是，迫使“大和”号旗舰及在后跟进的另一艘战列舰，为了规避美军的鱼雷攻击，改变航向朝北驶去，未能继续追击。这样，栗田就看不到美航空母舰，不能掌握战场上的战斗势态。当美舰对栗田舰队继续实施突击时，美舰“霍埃尔”驱逐舰中弹40余发，失去机动能力，最后只好弃舰，这艘舰成了日军集中射击的目标，凡是舰炮射程达得到的日舰，一齐对其射击，弹如雨注，直到将其击沉。
几分钟后，美“塞缪尔·罗伯茨”号护卫舰也中弹倾覆沉没。这时，已受重伤、鱼雷已用完的“约翰斯顿”号驱逐舰，又发现日本的1艘巡洋舰和4艘驱逐舰前来对美航空母舰实施鱼雷攻击。“约翰斯顿”号立即对其开炮射击。这几艘日舰企图阻断美军的退路，对美军构成了严重的威胁。“约翰斯顿”号不顾安危，立即向日舰冲去。虽然该舰遭到日舰的猛烈炮击，却使日舰不能占领有利的发射阵位。由于日舰过早地发射了鱼雷，因而未能击中美航空母舰。然而，上述日舰向“约翰斯顿”号驶去，并包围了该舰，集中火力将其击沉。这时，为美航空母舰大队担任警戒的另外2艘驱逐舰也中弹受伤。在古今海战史上，大概没有哪一国海军舰艇能像斯普拉格指挥的护航警戒舰只那样，面对强大的敌人，毫不退缩，英勇奋战，圆满地完成了战斗任务。
斯普拉格的几艘护航航空母舰被栗田舰队的几艘重巡洋舰赶到下风方向，再也不能利用烟幕掩护自己而开始中弹。首先是几艘日重巡洋舰从其左后方追来。接着，又有2艘日战列舰对其进行炮击。但是，由于日军的射击不够准确，加之美军的损管作业非常得力，使美航空母舰没有被全歼。但是，“冈比尔湾”号航空母舰中弹过多，无法抢救，终于丧失机动能力，开始倾斜，于上午9时07分沉入海底。
在美舰载航空兵力的持续突击下，日军的“鸟海”号、“筑摩”号和“铃谷”号3艘重巡洋舰再次受重创，已濒于沉没。根据日军的命令，遇到空袭时，各舰可自行机动。于是，栗田舰队进一步分散，混乱不堪。上午9时左右，栗田既同美斯普拉格大队失去了接触，也与所属的大部分舰只失去了联系。于是，他认为，既然美航空母舰编队已经逃走了，就应该把自己的队伍整理一下。上午9时11分，栗田以20节的航速北上，同时电令所属舰只向“大和”号靠拢。几分钟前，看来这一切都对栗田舰队有利，但是他却撤出了战斗，这使斯普拉格感到惊愕。于是，斯普拉格便率领所属舰队向25海里以外的莱特湾驶去。
栗田认为，不管怎么样，必须先把本舰队残存的舰只集合起来，再采取下一步作战行动，便令所属舰队分别驶往萨马岛海域。尽管日军也有损伤，但是栗田认为，整个上午的海战打得相当不错。他估计，已击沉美军航空母舰3～4艘，重巡洋舰2艘及驱逐舰若干艘。栗田曾一度改变航向，企图再次驶往莱特湾。然而片刻之后，他又想出一个更加妥善的作战方案，便改变了航向。栗田判断，美军的登陆输送队可能还未卸完载，但是这些船只已多次接到警报，恐怕已经撤离莱特湾。另一方面，栗田从截获的电报中得知，一支强大的美国航空兵力正向莱特湾集结，第五舰队的几个航空母舰特混大队也从各个方向向他的舰队驶来。虽然眼前还没有看到敌舰，但他已经预感到美军向他包抄过来。在这种情况下，莱特湾与其说是一个应该去捕捉战机的地方，不如说是一个陷阱。于是，栗田决定，无论如何要在外海与敌人进行一次较量。栗田受领的任务，与哈尔西担负的使命相似，也就是说，如有机会可酌情对敌航空母舰编队实施突击。
25日晨，马尼拉来电称在萨马岛东北发现美航空母舰编队，栗田及参谋们经过充分考虑后，认为这支航空母舰编队是一个最适合的突击目标，如能得到吕宋岛岸基航空兵的支援，栗田舰队或许能够取得一次决定性的胜利，至少也是一次壮举，为主力部队增光，以流芳后世。
25日下午1时稍过，当美护航航空母舰进行最后一次突击时，栗田舰队已经向北驶去，以寻找马尼拉来电中提到的那支航空母舰编队。近傍晚时，根据栗田的请求，吕宋岛上可以参战的日本岸基飞机几乎全部出动，对预期的美航空母舰编队实施协同攻击。这正是两天来栗田舰队所期待的空中支援。但是，栗田的愿望落了空，连美国航空母舰编队的影子也未发现。这时，日驱逐舰的燃料已剩下不多，栗田及参谋们与海上和空中的敌人连续奋战了3天，已经疲惫不堪。在这种情况下，栗田认为惟一的选择便是撤出战斗。将近天黑时，栗田舰队驶向圣贝纳迪诺，晚9时30分进入海峡。只有“野分”号驱逐舰为了从即将沉没的“筑摩”号重巡洋舰上接下舰员，而落在其他舰只的后边。
这时，哈尔西把24日夜集结在吕宋岛以东海域的全部兵力分四路展开。活动在北部海峡的米切尔编队，与杜博斯率领的巡洋舰和驱逐舰特混大队分开活动。杜博斯大队到达航空母舰编队的前方，以便击毁小泽舰队中因被重创而掉队的军舰。哈尔西企图在栗田舰队驶抵圣贝纳迪诺海峡之前就将其击溃，所以又从南下的舰只中抽出2艘航速最快的战列舰以及3艘轻巡洋舰和8艘驱逐舰先行。这样一来，第三舰队的兵力就更加分散了。哈尔西却率领其直辖舰队向南疾驶，企图抢在日军前头。然而，这是徒劳的。
25日午夜稍过，当哈尔西到达圣贝纳迪诺海峡时，栗田舰队尚未进入海峡的舰只仅有“野分”号一艘。于是，它就成了替死鬼，愤怒之余的哈尔西命令发射舰炮和鱼雷将其击沉。哈尔西率领的第三舰队的快速战列舰群首先向北航行300海里，然后又转而向南航行了300海里，往返于日军两支主力舰队之间。他们未同其中的任何一支舰队交战，这令哈尔西大失所望。
栗田舰队以最大航速连夜横渡锡布延海，26日日出后，已经通过整个塔布拉斯海峡，在班乃岛以西海域转为向南航进。这时，博根和麦凯思两个特混大队已在吕宋岛附近水域会合，并派舰载机前来袭击栗田舰队。日军“能代”号轻巡洋舰被美舰载机击沉，掉队的“熊野”号重巡洋舰受到重创。受到沉重打击的栗田舰队连续4天所实施的突击才算结束。栗田带领4艘战列舰、2艘重巡洋舰、重艘轻巡洋舰和7艘驱逐舰，逃脱了哈尔西的追击。至此，莱特湾海战结束。
莱特湾海战，尽管规模颇大，但在作战方法上并没有什么值得夸耀之处，实际上是一场海上混战。不过，通过这次海战，日本海军就不再是一支强大的海上力量了，美国海军则控制了太平洋。值得一提的是，莱特湾海战首开有组织的自杀飞机的恶端。
