当第58特混舰队收回最后一架“猎取火鸡”的舰载机时，天色已黑。斯普鲁恩斯海军上将如释重负，确信日军舰载机已被击溃，遭敌侧背攻击的威胁也解除了。于是，他通知米彻尔作好追击日机动部队的准备。米彻尔留下哈里尔的第4航母特混大队继续掩护塞班岛和封锁关岛，自己则亲率其他3个特混大队彻夜向南偏西航进。由于对日舰队位置判断失误，因此尽管美军舰队的航速比小泽舰队快5节，但是双方之间的距离并没有缩短。20日上午派出去的侦察机还是没有发现逃跑的小泽舰队，为保障侦察机的起飞和降落，航母不得不数次转向，迎着东风航进，这也耽误了追击日军的速度。
20日下午4时许，第58特混舰队终于等来了盼望已久的报告。一架巡逻机发现，日本机动部队正在第58特混舰队西北偏西220海里以20节航速向西退却。米彻尔陷入了进退两难之中：若命令舰载机飞这样远的距离去实施攻击，不能保证他们一定能完成任务，况且返航时已是黑夜，飞行员必须在夜暗中着舰，而绝大多数飞行员都没有受过夜间降落的训练；但是如果等到第二天天亮，必然要失掉摧毁敌舰队的最后机会。“飞机起飞！”沉默寡言的米彻尔海军中将别无选择了，平素有着慈父般心肠、尽量避免派遣飞行员执行冒险任务的他，果断地下达了命令。各航空母舰飞行员待机室内鸦雀无声，飞行员屏住呼吸看着他们的指挥官用6英寸的大字把米彻尔的命令用粉笔写在黑板上：“攻击敌航空母舰！”不到10分钟，三个特混大队的11艘航空母舰上，84架“恶妇”式战斗机、54架“复仇者”式鱼雷攻击机。51架新式SB2C俯冲轰炸机、26架“无畏”式SBD俯冲轰炸机，共215架舰载机腾空而起，直追小泽舰队而去。
“大和”号战列舰的大型雷达迅速报告了美军机群从东方袭来的可怕消息。小泽的主力舰队加速到24节，不得不扔下了4艘泊船和为它们护航的3艘驱逐舰。日第1特混大队、第2特混大队和第3特混大队最后34架“零”式战斗机临危受命，去迎战优势之敌。轰炸机和鱼雷机也起飞远离了舰队上空，以减少母舰挨炸时的损失。此时太阳已经西沉，正在慢慢接近水平线，再过20分钟，日本舰队就能躲藏在黑暗之中。
“首先攻击日军航空母舰！”美机群指挥官迫不及待地大声命令道，迅速摆脱最后几架“零”式战斗机纠缠的美机群在夕阳的余光下发起了冲锋。十几架俯冲轰炸机从3000米高空轮番向“飞鹰”号中型航母俯冲投弹，一颗炸弹在舰桥上方爆炸，炸裂的弹片彻底摧毁了作战指挥所和防空指挥所，随后4架“复仇者”鱼雷机结队向其右前方旅回，“飞鹰”号急速躲避并展开猛烈反击，乔治·布朗海军中尉的机翼被打飞了，报务员和炮手不得不跳伞逃生，但身负重伤的布朗中尉仍顽强地驾驶着冒着火光的“复仇者”发射鱼雷，一举命中“飞鹰”号右舷机舱，波罗洲原油的挥发性油气和爆炸性瓦斯立即燃起凶猛的大火，“飞鹰”号不久就舰首朝天，开始下沉，而布朗中尉和他的已经不堪驾驶的座机也没有回到他的母舰。“瑞鹤”号大型航母、“隼鹰”号中型航母、“千代田”号轻型航母虽然加足马力闪避逃跑，但仍被击中数枚炸弹，受到重创。
天很快就黑了下来，损失了20架舰载机的空袭机群在投光炸弹和鱼雷后开始返航。一些轰炸机和鱼雷机的油量表已经远远低于满载量的一半，几架损伤严重的舰载机首先坠入大海，接着那些不注意节约汽油的飞行员也随着飞机掉入大海。一个舰载机分队通过无线电约定，待燃料耗尽后一同降落在海面上。晚上8时，已一片漆黑，返航的第一批飞机即将临空，一直全速西进的航空母舰转而向东迎风航进，准备回收飞机。
返航的飞机在特混舰队上空盘旋，只有个别技术娴熟的飞行员或者运气极佳的飞行员在黑暗的甲板上顺利降落，大多数飞行员则连航空母舰和大型军舰都辨认不清，有些飞机只好在茫茫夜海中迫降，有些飞机则喘着粗气，发动机发出燃油耗尽时那种劈劈啪啪的响声。米彻尔坐在“列克星敦”号舰空母舰作战室里，默默地吸看烟，凝神沉思，假如他解除特混舰队的灯火管制，可能会暴露目标，受到日军潜艇和航空兵的袭击。然而米彻尔更清楚，航空母舰如果失去了舰载机和飞行员，它就不再是锐利的武器，只能是累赘。大家的眼睛都集中在他们的司令身上，米彻尔转过身来，坚决地命令他的参谋长阿利·伯克海军上校：“开灯！”
航空母舰全部打开了红色桅顶灯，飞行甲板上灯火辉煌，探照灯光柱刺破了夜空，有的军舰还发射了信号弹，令一些飞行员兴奋地感到“好莱坞的彩排、中国的春节和美国独立纪念日赶到一起了”。飞机被命令可在任何一艘航母上降落。有一名飞行员着急得竟不顾“列克星敦”号发出的等待着航的信号，硬是向舰上降落。结果与刚刚降停的6架飞机相撞。有两架飞机争先恐后地在“邦克山”号上降落，造成相互冲撞。甚至有一架飞机把驱逐舰的桅顶灯当作引导员发出的降落信号，干脆利落地降落在驱逐舰旁边的海上。22时30分，因着舰损失了80余架飞机的第58特混舰队又启程向黄昏追击战的战场方向驶去，当夜和次日一整天都是沿着飞机返航的航线搜索前进，驱逐舰和水上飞机救起了许多落水飞行员。
美舰为援救飞行员不得不低速航行，而小泽舰队是全速撤退，经过6月21日一整天的航行，斯普鲁恩斯下令第5舰队停止追击，向东返航。至此，太平洋战争中的最大一场航空母舰大决战——马里亚纳大海战拉上了帷幕，美第58特混舰队大获全胜。
尽管战后对美第58特混舰队没有全歼日本航母舰队，6月18日夜晚斯普鲁恩斯为掩护登陆地域没能西进、抓住抢先攻击敌航母的战机等等战术问题意见不一，但马里亚纳的大海战仍不失为一场意义重大、战果辉煌的大海战。日航空母舰被击沉3艘，受伤3艘，舰载机430架只残存下70余架。从此以后，以航空母舰和海军航空兵为主力的日本海军不再是太平洋战场上的劲旅。第58特混舰队在马里亚纳大海战中的巨大胜利，有力地支援了塞班岛登陆作战。同时，这一胜利也减轻了麦克阿瑟的西南太平洋部队沿新几内亚-棉兰老岛轴线夺回菲律宾的作战压力。