F-86 战斗机起飞后并未按照平常战斗巡逻的惯例以松散队形爬高直飞鸭绿江边。相反地，他们却采取比平常要偏东的航向，并且保持较低高度，靠着山岭的掩护向北飞行，以躲避中朝方雷达的探测。
14 时 45 分左右，担任接应组的“尊严 S 分队”离开编队转而向西爬高。他们的任务除了吸引中朝方雷达注意外，还要在友机返航时担任掩护；这时剩下的 26 架飞机才开始爬高。
F-86 机群在机场跑道准备起飞
14 时 50 分，第 336 中队的“红色分队”、“白色分队”在平安南道德川以东 15 公里的大同江折曲处（坐标 BV8204，今金城湖上空）抛掉副油箱并向西转，向铁山半岛中部（坐标 XD4596）飞行。他们在长安山西南约 12 公里处（坐标 BU5585）看到高空有 18 架米格机朝南飞行，另外在九龙江以北（坐标 YE5032 处）也看到许多小群米格机在巡逻。336 中队的机群并未打草惊蛇，从较低高度悄悄绕过这些米格机组成的高空掩护网，继续向铁山半岛方向飞去。（注 55）伊凡斯回忆：“我们几个中队以头尾相随队形，飞着一条相当深入的航路，在很北边的地方我们向西转弯，飞向‘热点’（即安东）。可以看到隔着鸭绿江那边成群米格机的凝结尾云正在成形，同时有许多机群的凝结尾云在远高于我们的上空，我们边注意它们的行动，边从从它们后面切过。”（注 56）带领殿后中队的马歇尔少校也回忆道：“我们准时进入空域，看到两大群米格-15 喷气机在我们上空很高的地方横过鸭绿江过来。它们显然是在执行扫荡任务，不过它们并未下来攻击我们。我们保持队形并且转而向南，希望能够切入它们之间。”（注 57）美军 F-86 机群选择的航路和高度经过事先精确规划，顺利躲过了中朝方雷达的探测，而在高空巡逻的米格-15 机群也没有发现它们。
15 时 07 分时，（注 58）领队的普雷斯顿在龙岩浦东南约 10 公里中谷村附近（坐标 XE2515）发现了由 16 架米格-15 及 16 架拉-9 护航的 9 架图-2 轰炸机群。伊凡斯回忆道：“它们是飞在远低于我们高度的一群螺旋桨飞机──事后估算是 16 架拉-9 护航着 12 架图-2 轰炸机，不过当时我看到的就只是一大群。”（注 59）335 中队的飞行员们发现志愿军机群时，轰炸机群是在右下方 3 点钟方向，以接近 90 度的夹角，直直地朝美国机群飞来，航速约 180 节（334 公里/小时），高度约在 6,000 英尺（约 1,800 米），护航的螺旋桨歼击机则与轰炸机同步同速，未以高速交叉飞行或蛇行，另外在 35,000 英尺（约 10,500 米）高处还有 16 架米格-15 的掩护机群，这些米格机都带着副油箱。此时 336 中队的高度大约是 5,000 米。
大和岛空战双方飞行路径示意图
由于 F-86 机群全程以中低高度飞行，耗费油料较多，在发现志愿军轰炸机群前二、三分钟就已经是“宾果”状态（即油料已低到必须立即返航的安全底限），普雷斯顿没有多花时间组织攻势，马上率队右转对轰炸机群开始攻击。因为起始接战角度的关系，他从轰炸机右前方约四分之一的方位俯冲迎头开火，由于接近速度及角度过大，没有打中任何飞机，此时拉-11 歼击机的队形开始四散开来。他穿过轰炸机群下方，拉高后转向，正准备再次向轰炸机群攻击时，发现稍低处有 1 架拉-11 歼击机横过前方，他压低机头瞄准开火，拉-11 歼击机中弹起火坠落于加次岛以北海面（坐标 XE2505），时间是 15 时 09 分。接着，普雷斯顿再度对轰炸机群开火射击一次，也没有得手。因为担心油料不足，他命令“红色分队”其他飞机开始准备返航。由于普雷斯顿是迎头俯冲攻击，拉起后当在轰炸机群的后上方，他击落的这架落单的拉-11，很可能是后上方拉-11 的领队空 2 师 4 团团长徐兆文的僚机余长富。
志愿军飞行员对 F-86 接近方向说法不一，有称位于编队左前方的，有称左前下方 800、1,000 米高度的，甚至还有散布前后左右各方位的。这些说法间并不存在矛盾，主要原因是志愿军飞行员当时疏于警戒，发现 F-86 过晚，美机早已杀入编队之中，所以各种目击方位都有。最早发现 F-86 来袭并发出警告的或许是空 2 师 4 团第 3 大队飞拉-11 的王勇，当时是左侧刘卓生所率拉-11 中队的三号机；轰炸机群中最早提出警告的或是第 3 中队长机的射击员吴良功，（注 60）不过他位于轰炸机群尾端，所在位置又是朝向后下方的炮塔，看到的只能是已经迎头俯冲攻击完毕，正在拉起爬高准备回头再次攻击的 F-86。
志愿军机群在遭到攻击后，一时陷于混乱之中，还搞不清楚到底是怎么回事，延误了反应时间。飞在轰炸机群右侧的王天保回忆道：“这时候突然间发现，在我们左前方一片飞机过来了，我当时一看，一片白花花的飞机，只一眼我就看到了四、五架，有人报告说发现敌人，有的说是不是我们的飞机？还含糊不清。”（注 61）轰炸机领队高月明则称：“刚到了海面上，还没有多远，这时候，有四架飞机，超低空，从我下方，大概有三十多米扑过来了，飞机冒着浓烟，海面湿度很大，燃油没烧完就冒着浓烟，我很远就注意到它了，它不是我们的飞机……正是在这种情况下，我看见敌人的飞机来了一个急上升，在一千五百米的时候，闪出一道红光，这是敌机在向我们射击了。”（注 62）这些比轰炸机群高度还低的飞机，事实上是已经俯冲射击完毕，正在拉起的 F-86。王海评论道：“空中梯队警惕性也不高，疏于戒备，当发现不明的喷气式飞机向联合机群迅速接近时，竟误认为是担任掩护任务的我方米格-15 飞机，以致在编队中的飞机被击中起火之后，才知遭到敌人偷袭。”（注 63）这都说明了当时志愿军飞行员发现美机的时间过晚。
除了一开始时志愿军飞行员发现美机过晚外，当他们向浪头指挥所报告遭到攻击时，指挥所人员一时也不相信，还要求确认是不是友方飞机。高月明称：“我马上报告指挥所：发现敌机！地面指挥所开始不太相信，是我们的飞机吧？不要搞错了！”（注 64）此处提到的指挥所，当是空 8 师的指挥所，因为空 8 师师长吴恺随即下令：“坚决前进！完成任务！”