19时，空战结束。当时天空既没有月亮，也没有星星。
返航的漫长旅程对美飞行员来说犹如噩梦一般，飞行员一个接一个地报告燃料即将用完。
20时15分，美机在暗夜之中总算返回了自己的“家”。可为了防止日机和日潜艇的袭击，美特混舰队实行严格的灯火管制，“家”中一片漆黑。正如米切尔所预料的，当这些美机飞回的时候天已全黑，只有少数技术娴熟的飞行员在黑暗的甲板上顺利降落。此时，在航空母舰上的人可以清楚地听到飞机在头顶上盘旋；可大多数飞行员只能辨认出军舰的航迹，根本认不出哪一艘是航空母舰。有的飞机打开了红色和绿色识别灯，发动机喘着粗气，发出燃油耗尽时的那种僻僻啪啪的响声。
派这些飞行员出击本来就是一个冒险的大胆决定，此时，米切尔又作出了另一个大胆的决定：他命令所有航空母舰全部开灯。
刹那间，所有的航空母舰都打开了红色桅杆灯，飞行甲板上灯火辉煌，探照灯光柱刺破了夜空，将这片海区装点得犹如美国的狂欢节，从空中观看又像神话中的世界。一位飞行员说：这种场面犹如“好莱坞的彩排、中国的春节和美国独立纪念日赶到一起了”。
然而，更确切地说，这真是一场狂欢中的悲剧：这些天之骄子们在灯光的指引下，本可以在任何一艘它们发现的航空母舰上降落。但由于大多数飞机的燃油已经耗尽，飞行员急于降落，一发现他们盼望已久的美妙灯光，就蜂拥着朝甲板飞来。结果发生了一连串的冲撞爆炸事故，不少飞机一架接一架地掉到海里。有一架飞机在降落时撞在前面已降落的飞机上，还有一架飞机甚至把一艘驱逐舰的桅杆灯当成了引导信号，干净利落地降落在驱逐舰旁边的海面上……
至22时，全部美机完成降落，这一灾难性的夜间返航，使美机损失了77架飞机，是刚结束的空战中损失的4倍，但落水的飞行员大部被救。
就在美国人忙于搭救落水飞行员时，小泽舰队也很快撤出了战斗。至此，马里亚纳海空战宣告结束。
在此次海战中，美军仅有2艘航母、2艘战列舰和1艘巡洋舰受轻伤，无一艘军舰沉没，舰载机损失117架。日军被击沉航母3艘、油船2艘；被击伤航母3艘；战列舰、巡洋舰和油船各1艘，舰载机损失404架，占全部舰载机的92%；岸基飞机损失247架，几乎全军覆没；此外，日军出动的36艘潜艇也被击沉20艘。
这场海战，日军投入了联合舰队的全部主力舰只和大部分岸基航空兵，原想一举扭转战局，不料又以惨败而告终。特别是舰载航空兵损失高达92%，这对于日军而言是致命的。没有一年半载的时间，根本无法恢复成一支现代化的舰队。尤其是飞行员的损失更是难以弥补。在短时期里，日军的航母部队不能成为有战斗力的部队，从而使中太平洋上的制空权、制海权彻底落入美军之手，美军继而取得了战略进攻更有利的条件。
俗话说“兵不厌诈”。美军的“双管齐下”战略使日军大本营以为美军的战略主攻方向是新几内亚——棉兰老岛，特别是当5月27日麦克阿瑟指挥的西南太平洋战区的部队在比阿岛登陆后，日军更是认为美军太平洋舰队将到达新几内亚以北海域，立即迅速向该方向调集兵力，并准备在帛琉海域与敌决战。同时，将潜艇部队配置于加罗林群岛以南，以尽早发现美军舰队，甚至当美军6月11日开始对马里亚纳群岛实施炮火准备，日军仍然认为是美军的牵制性行动，对此不以为然。直到6月15日美军的大批登陆舰艇到达塞班岛海域，并开始换乘，这才意识到美军的主攻方向是在马里亚纳，但为时已晚。
小泽本来计划借助部署在马里亚纳群岛的500余架岸基飞机，来与舰载航空兵协同对美军实施两面夹击。但由于日军对美军战略进攻方向判断失误，将马里亚纳群岛的岸基航空兵大部调往新几内亚，待判明美军攻击方向后再往回调，已经来不及了。
现代海空战的决定性力量是航母及其舰载机。尽管日本联合舰队根据形势的发展进行了改组，将战列舰为核心改为以航母为核心的第一机动舰队，并为航母配置了基本满额的舰载机。然而，日军战争初期那些训练有素的飞行员几乎都已在战争中消耗殆尽，补充的飞行员缺乏必要的训练，技战术水平非常有限。靠这些没有经过正规训练的“菜鸟”飞行员，哪里能抵挡住美军强大航母编队的进攻呢？小泽出于扬长避短的考虑，决定在美军作战半径之外发动攻击，然后在马里亚纳群岛机场上降落加油挂弹，再从陆地机场起飞攻击美军，形成“穿梭攻击”之势，从字面上看，好像很不错，既可有效打击美军，又能避免美军的攻击。但他忽视了其飞行员的战术技术水平有限这一重要因素，实施“超距攻击”必须在极限航程起飞，飞行员在飞行过程中，要尽量节约燃料，要考虑气象条件的影响，要随时警惕周围敌情……连技术熟练的飞行员都不容易做到，何况日军飞行员大都是新手，经历如此漫长的航程后还没投入战斗就已经精疲力竭了，哪里还有足够的精力应付美机的拦截？
马里亚纳海战的结局告诉人们，战场上的胜利不仅来自于正确的战略判断和战役上的正确指挥，而且需要战斗员凭借精湛的战术和技术去实现指挥员的战役目标，没有一系列具体的战术上成功和胜利，那种所谓正确的战略意图最终只能是“纸上谈兵”。