日本軍の第五航空艦隊空母「瑞鶴」「翔鶴」の攻撃隊８９機が襲い掛かり、「ウエスト・バージニア」に魚雷５発を命中させ撃沈。「ペンシルヴァニア」には８００キロ徹甲弾を４発命中させ火災を発生させた。
第一航空艦隊空母「赤城」「飛龍」の攻撃隊６５機もアメリカ艦隊を襲い、「テネシー」に２５０キロ爆弾３発を命中させた。さらに「カリフォルニア」に魚雷３発を命中させた。「カリフォルニア」は転覆した。
戦艦「長門」「陸奥」は火災を起こした「ペンシルヴァニア」に目標を集中し６分間で撃沈。「伊勢」は大破漂流中の「ネバダ」に止めを刺した。
ニ航艦の４９機の攻撃隊は「オクラホマ」に魚雷４発を与え撃沈した。
アメリカ軍戦艦で生き残った「テネシー」と「メリーランド」は傷ついた「レキシントン」「エンタープライズ」と共にミッドウェーを目指した。しかし、その速力は僅か１１ノットである。日本軍の戦艦部隊が追撃して追いつくには時間の問題であった。
しかし日本軍戦艦部隊は追撃せず、台湾の高雄に向かった。こうしてグアム沖海戦は終わった。
ところが日本軍の攻撃がこれで終わったわけではなかった。トラック島の一式陸攻２０機がアメリカ艦隊を襲い、空母「レキシントン」に魚雷を命中させた。「レキシントン」は操舵機関が働かなくなり放棄された。そこにトラック島の日本軍航空機が襲い掛かりこれを撃沈。エンタープライズは何とかミッドウェーまで辿り着いたが半年は使えそうになかった。
後にこれはトラック沖敵迎撃戦と呼ばれる。

アメリカ海軍部は補助艦艇や水雷戦隊をつけずに出撃したことがこの大敗の原因と考えた。
一方で日本軍も戦艦を丸裸で出撃させたことは大変危険だとし艦隊を再編成した。また、グアム島沖海戦と同日の１２月１７日、戦艦「大和」が完成。連合艦隊の旗艦となった。
さて、陸軍はこの間に蘭印に上陸し、歩兵第三五旅団はボルネオ島のクチン飛行場を占領し、混成第五六歩兵団は翌年１月１１日、ボルネオ島のタカランに上陸し、１２日同島西部の飛行場を占領した。
また、マレー半島ではクアラルンプールを落とすもシンガポールはあえて攻撃せず、ミャンマーに向かった。日本軍航空部隊はセレター軍港を徹底的に破壊し、イギリス軍の士気を低下させた。
２月１１日の紀元節にはマニラを行進した。
海軍も２月１４日、第一挺進団はパレンバンへの落下傘降下によって製油所を占領した。
３月９日、ジャワ島のオランダ軍が正式に降伏した。