到9:48分时，这场海空战终于接近了尾声，曾经威风凛凛的双航母TF1617编队只剩下了3条惨重伤亡的军舰，最高航速是巴顿号驱逐舰的9节，南达科他只有6节，企业号7节，除了放出去的最后46架进攻机群，整个编队舰载机也近乎完全覆灭了。
就最后46架飞机的使用金凯德征求了哈尔西的意见——去攻击日本航母部队显然不现实，他们只有2个选择，一是回头往新几内亚岛方向飞行，能飞多近飞多近，然后跳伞让人搭救，另一个选择是继续攻击日本炮击舰队，哈尔西痛苦地思考了3分钟，决定把权利下放给带队指挥官。
听说身后的舰队近乎全军覆没，第三攻击波所有飞行员一片沉默，最后一致决定继续进攻日本舰队，死也要死在冲锋的路上，10：27分，炮击舰队迎来最后一波美军进攻，他们近乎用以命搏命的方式在进攻，大和号又吃了2颗炸弹加一条鱼雷，进水量达到4800吨。羽黑号被命中一条鱼雷，长门与陆奥各吃到2颗炸弹，春雨、五月雨驱逐舰被击沉。担任掩护任务的零式战斗机损失23架，再加上战斗结束后油料基本用尽、飞行员只能跳伞的7架，最后担当掩护任务的零式只剩下了35架。而这46架美国飞机也近乎全军覆没，最后脱离现场飞往新几内亚的飞机只剩下14架。
虽然战斗已接近了尾声，但堀悌吉的斗志反而越来越高昂，他已知道了目前TF1617的情况，也知道还有3条军舰在水面挣扎着，他下达了新的作战指示：“所有情况良好的高速重巡洋舰全速赶往现场搭救落水人员（不论敌我）并尽可能击沉敌舰，主力随后赶到，机动舰队不必再行进攻，战场扫尾工作由炮击舰队完成。”
此时美军舰队竭力撤退，伤痕累累的南达科他表示由驱逐舰保护企业号撤退，自己断后掩护，金凯德深知时间紧迫，也没法继续解释，只能含泪告别南达科他号，带着蹒跚的脚步仓皇撤退。等下午2点钟日本重巡洋舰群赶到现场时只看到受创严重、前甲板近乎于海平面持平、三座炮塔全部失灵的南达科他号了。高雄号打出了让其投降的旗语，却被美国人坚决拒绝。在妙高号的组织下，4条驱逐舰抵近发射威力强大的九三氧气鱼雷，片刻后就把这条排水量高达3.5万吨，服役不过半年的新锐战舰送入海底。
下午3点15分，日本快速战斗群找到了企业号，不过其由于进水太多、损管无力而处于侧倾状态，不等日本军舰动手就缓缓沉入海底，最后留在舰上的是与舰同沉的金凯德少将。由于快速战斗群要打捞落水、失踪人员而放弃了对最后一艘驱逐舰的追逐。巴顿号驱逐舰与上午逃脱的亚特兰大号一起成为美方整场南太平洋大战的幸存者。
1942年11月5日晚，在“军舰进行曲”中东京大本营发出了南太平洋海战战报：“帝国海军于11月5日黎明至下午在所罗门海域与敌有力舰队交战，击沉航母2艘、新锐战列舰2艘、巡洋舰8艘，驱逐舰17艘，敌机200架以上因击坠或其他原因丧失。我方损失轻型航母与老式战列舰各1艘，驱逐舰4艘，巡洋舰2艘与驱逐舰3艘小破，均对战斗航行无妨碍，飞机未归者50多架。”
实际上，日本光航母舰载机群就损失了近50架，海航陆基航空队用于掩护炮击舰队的战斗机损失高达100多架，南太平洋战斗机群被一扫而空……
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