到了訊息，中國艦隊在進行追擊，他繞過馬紹爾群島後企圖以一種鉗形運動來捕捉中國海軍的航空母艦，他差一點就得逞了。第二天夜裡，日軍艦隊正向補給燃料的中國海軍艦隊迅速接近時，高木突然接到山本五十六的命令返航，實際上這時他離中國艦隊已不到70海里。
第三天拂曉，中國海軍特混艦隊在加羅林群島北端海域航行，航向西北。將近7時，張起帆命令王海文海軍少將指揮的2艘重巡洋艦和3艘驅逐艦向西北方向搜尋前進，同時，他命令航空母艦編隊向北航進。在此以前，高木和張起帆都不知道對方就在該海域活動。雖然張起帆根據情報得知日軍有8艘航空母艦參加這次作戰，並派出飛機進行搜尋，但因天氣惡劣的關係，沒能發現該海域的兩艘日軍重巡洋艦。高木一直依賴水上飛機進行搜尋，雖曾一度發現中國航空母艦編隊，但後來水上飛機卻失掉目標，沒能再提供任何有價值的情報。
天氣漸漸變得晴朗起來。17日清晨，擔任該方向偵察任務的中國偵察機開始報告敵情。8時15分，一位中國飛行員報告：在小島以北不遠的海面上發現航空母艦2艘和重巡洋艦4艘。於是，張起帆命令2艘航空母艦上的突擊機群出動。82架飛機在偵察機返航之前就已出動。據後來查明，由於密碼譯錯，上述情報失實。偵察機的報告本來是：發現巡洋艦2艘和驅逐艦2艘。
張起帆判斷，既然發現了日軍艦隊，附近必有更適於攻擊的目標，於是他斷然決定實施攻擊。這一決定的正確性於10時20分得到了證實。據報告，就在突擊機群前去攻擊的目標東南35海里處，又發現2艘日軍航空母艦及數艘其它艦隻。該突擊機群若少許修正一下航向，就能發現這個新的目標。
11時許，突擊機群開始攻擊日本輕型航空母艦“白鳳”號。首次突擊就有13顆炸彈和7條魚雷命中目標，使“白鳳”號轉眼間沉入海底。第一波突擊機群著艦後，張起帆決定，在發現另外幾艘日軍航空母艦之前，第二波突擊群暫不出動。另外，張起帆判斷，日軍可能已經知道中國航空母艦船位置，他所率領的航空母艦部隊可能即將遭到襲擊。
可是，8月17日這一天，張起帆的艦隊並未受到日軍的襲擊。因為日軍的偵察情報一錯再錯，直到當天傍晚也未查明敵情。17日9時前，坐陣“盤城”號指揮作戰的南雲忠一接到所謂發現兩支中國航空母艦編隊的情報。其實，一個是張起帆的航空母艦編隊，而另一個則是王海文的巡洋艦和驅逐艦構成的編隊。接著，南雲又收到來自東京的情報，獲悉在該片海域東部還有1艘中國航空母艦。實際上這是“華凱”號油船。這艘油船是16日晚離開張起帆的本隊，正在“心宿二”號驅逐艦的護航下開往會合海域。…；
9時50分，日本人的飛機依次從航空母艦上起飛，前去攻擊最西面的那支中國海軍編隊。日軍飛行員返航後報告，擊沉戰列艦和巡洋艦各1艘。實際上日軍飛機沒能使王海文的本隊受到任何損失。
將“華凱”號油船誤認為1艘航空母艦對日軍的作戰影響相當大。因為日軍得到情報後，立即對那艘不幸的油船及其護航艦進行了猛烈的空襲。“心宿二”號驅逐艦中3顆炸彈，大部分艦員和軍艦一起葬身海底。“華凱”號油船雖然中7顆炸彈，但並未沉沒，一直到了第5天時，全部船員被趕來的中**艦救走。
這一錯誤的襲擊使日軍陷入危險的境地。高木不顧即將天黑，決心在中國航空母艦再次襲擊日軍艦隊之前將其擊沉。他挑選出擅長夜戰的飛行員，駕駛37架俯衝轟炸機和魚雷機於16時15分向預想的中國航空母艦所在方向飛去。
事實證明，日軍的這一冒險很不值得。日軍飛機實際上是從張起帆艦隊的附近飛過的，但因天氣不良和能見度較低而沒有發現目標。中