激战至此，日本人不仅空战损失惨重，航空母舰的命运也是同样不济。
19日上午8时10分，就在小泽的旗舰“大凤”号航母送走攻击队最后1架飞机时，却被正急于寻找“猎物”的美潜艇“大青花鱼”号发现了。美潜艇立即向“大凤”号发射了6条鱼雷，其中1条鱼雷准确无误地击中了“大凤”号的燃料舱。这艘标准排水量为3.3万吨、1个月以前才服役的新型大型装甲航空母舰，曾被日本海军自豪地称为“不沉的航空母舰”。按说，两三枚鱼雷的攻击对这样规模的大型航母起不了多大的作用。可不巧的是，“大凤”号中雷后产生的猛烈爆炸将舰上的升降梯毁坏，并堵塞了通风口，使得大量可燃气体在舱内聚集起来。大约在下午2时32分左右，由于电火花而引起了惊天动地的大爆炸。当时站在舰桥上的高级参谋大前敏一大佐看见“大凤”号的飞行甲板突然“像富士山那样鲜花盛开”！下午4时28分，在夜幕降临之际，“大凤”终于在塞班岛以西500海里处沉没了。在它沉没之前，2150名舰员中只逃出了不到500人。
就在“大凤”号航空母舰遭到美潜艇攻击后几小时，即11时20分，另一艘大型航空母舰“翔鹤”号又遭到美“飞鱼”号潜艇的攻击。“飞鱼”号巧妙地突破警戒，抢占有利攻击阵位，隐蔽地向“翔鹤”号发射了6条鱼雷，有3条鱼雷直接命中。这艘饱经战火考验、曾经参加过偷袭珍珠港和珊瑚海大战的“老兵”，于下午2时，先于“大凤”号沉入马里亚纳大海沟之中。该舰上的许多舰员还不知发生了什么事，就糊里糊涂地随同他们的战舰一起沉入海底，1263名舰员中只有在甲板上的少数人员获救。
潜艇在数小时内一连击沉日军2艘巨型航空母舰，尤其是“翔鹤”号被击沉，令米切尔大喜过望。在胜利面前，他并没有过早地满足，他想到的是如何再扩大战果。在他的一生中，指挥如此大规模海空战的机会不会太多了，他想再打一个更漂亮的胜仗。战斗机和潜艇的表现使他非常满意，但还有近200架攻击机在空中作无谓的消耗，应当让它们也去充分地表现一下。
想到这里，他马上发出命令：“攻击机群注意，现在我命令你们去轰炸关岛日军机场，扔完炸弹、鱼雷后立即返航。”
半小时后，捷报传来。关岛日军机场基本被摧毁，米切尔将军终于露出了欣慰的笑容。
19日傍晚，小泽根据联合舰队司令部的命令，已开始在夜幕的掩护下向西北方后撤。此时，一封特急电报摆到了斯普鲁恩斯将军的办公桌上：我特混舰队已击沉日军2艘航空母舰，击毁日机373架，敌人已无力反抗，正在组织撤退，请求追击。落款是“海军中将米切尔，1944年6月19日16时48分。
斯普鲁恩斯将军当即同意了米切尔的请求。“追击敌航空母舰！”米切尔海军中将兴致勃勃地向全舰队发出命令。
1944年6月20日清晨，经过一夜休整补充的美第58特混舰队4个航空母舰群中的3个立即开始追击日机动舰队。但是由于弄错了方向，向西南追去，所以直到下午4时零5分、“企业”号的侦察机才发回报告：“在北纬15度35分，东经134度35分的海域发现日机动舰队，距离275海里。”
米切尔接报后，真是处于进退两难之中。如果进攻，美机就要往返700余海里的航程，这几乎是美俯冲轰炸机和鱼雷攻击机的极限，其中还不包括在作战过程中必不可少的燃油消耗。另外，此时天色已晚，攻击完后舰载机肯定要在夜间摸索返航，而他手下的飞行员只有少数人能在夜间降落，危险太大。但如等到天亮再攻击，又会白白失掉这次摧毁日舰队的机会。
“飞机起飞！”经过反复考虑，米切尔还是决定要冒一次险。
不到10分钟，216架飞机，其中包括77架SBD“无畏”式俯冲轰炸机、53架TB“复仇者”式鱼雷攻击机和86架“恶妇”式战斗机，从10艘航空母舰的甲板上腾空而起，迎着夕阳向西飞去。
18时23分，美机发现海面上的日军油船；18时30分，终于发现了庞大的小泽舰队。该舰队有6艘航空母舰、4艘战列舰、11艘巡洋舰和22艘驱逐舰，分为3路纵队，每路纵队间隔10海里，舰尾部划出的白色航迹给美机指明了攻击的目标。
“首先攻击敌航空母舰！”空中指挥官命令道。美各型战机迅速进入攻击航向，美4B“复仇者”式鱼雷机开始降低高度，3BD“无畏”式俯冲轰炸机开始爬高，只有“恶妇”式战斗机仍保持原先的飞行高度，整个美攻击机群形成立体攻势，就像一阵龙卷风般袭向日舰。
小泽见状，赶紧下令所有的舰载机全部升空迎战。虽说是全部，但也只是很勉强地拼凑了75架飞机。这点可怜的兵力又怎么能够阻挡得了强大的美攻击机群呢！小泽的心中非常下安。
只见天空中美“恶妇”式战斗机就像老鹰捉小鸡似地冲向日机，将这些倒霉的日机一架接一架地打落海中。“复仇者”式鱼雷攻击机冒着日舰几乎呈齐射状态的高射炮火，开始投雷，一条条鱼雷在光线很暗的海面上高速向日航空母舰冲去。俯冲轰炸机如饿虎扑食，在夕阳的余辉下冒死攻击，冰雹般的高爆炸弹凌空而下，在海面上掀起森林般的冲天水柱。
日本“飞鹰”号航空母舰在炸弹和鱼雷的联合攻击下，舰面腾起熊熊大火，很快就摇摆着巨大的身子一头扎入海底；“瑞鹤”号航空母舰、“隼鹰”号航空母舰和“千代田”号航空母舰也分别被雷弹打得伤痕累累，舰身严重损坏。激战中，小泽又损失了65架飞机。
另外，美部分俯冲轰炸机误将跟在航母后面的2艘油轮当作航空母舰，对其进行了猛烈的俯冲攻击，500公斤炸弹就像冰雹般地砸向日油轮，仅两三分钟，2艘油轮先后爆炸起火，瞬间即沉入大海。