就这样，日美双方共有近3000架飞机、21艘航空母舰及近千艘各型战舰，一起劈波斩浪，杀气腾腾地向马里亚纳海域汇集而来，人类战争史上最大规模的航空母舰大战就要爆发了。
1944年6月12日至14日，为保证登陆部队顺利上岸，美军第58航空母舰特混舰队在关岛以东170海里的海面上，出动了208架“恶妇”式战斗机和240架舰载轰炸机，对塞班岛、提尼安岛和关岛等日军基地和机场进行了猛烈的轰炸，使日军岸基航空兵遭到了沉重打击。据不完全统计，日军仅飞机就损失500余架，一下子就使第61航空战队的战力损失过半，这就为美军下一步的登陆和海战减轻了很大的压力。
6月15日清晨，就在丰田副武海军大将下达发动“阿”号作战令的同时，美海军陆战队指挥官史密斯中将指挥两个师共计2万余人，于8时30分开始了对塞班岛的大举登陆，与守岛日军展开了殊死拼杀。
此时，正在指挥日军第一机动舰队向马里亚纳进击的小泽治三郎中将，闻此消息更是心急如焚，赶紧命令舰队全速前进。
小泽舰队正向马里亚纳开来的消息，正是美国人盼望已久的。因为美国太平洋舰队早就想同日军航空母舰舰队一决雌雄，想不到这一次它们竟然倾巢出动了。
真是冤家路窄，当年参加偷袭珍珠港的“翔鹤”号和“瑞鹤”号航空母舰也随小泽出动了，它们企图再展当年的辉煌。但是，小泽的第1机动舰队只有各型舰载机400余架，而其主要对手米切尔的第58特混舰队共有各型飞机900多架。小泽的兵力明显处在劣势，但小泽认为形势比较有利。小泽预计，战斗将会在关岛附近海域日军岸基飞机的作战半径之内、美军飞机的作战半径以外的海域展开。这就是说，他可以攻击美国人的航空母舰，同时又能使自己的舰队处在美机的攻击距离之外。另外，还有一点对他有利的是，他不用像美军那样去保护登陆的滩头阵地。
这次的战阵布局与两年前的中途岛海空战非常相似，只是在角色上打了个颠倒。中途岛是日军入侵，美国人严阵以待；而马里亚纳则是美国人进攻，日本人防守。两次唯一的相同之处则都是以日本人失败告终。
当尼米兹将军得知日军航空母舰中有3年前偷袭珍珠港的“翔鹤”号和“瑞鹤”号时，眉开眼笑地对一位参谋说道：“你赶快把电报拍给斯普鲁恩斯将军和米切尔将军，通知他们，这次海空战只要一打响，就不要放跑我们的死对头。”
“死对头？”参谋不解地问道。
“是的，日军的航空母舰‘翔鹤’号和‘瑞鹤’号。”
“是，将军，我立即发报。”
“告诉他们，我希望几天后就能收到他们击沉这两艘航空母舰的告捷电报。欧洲的盟军已经在法国诺曼底登陆了，这是历史上伟大的军事创举。我们太平洋舰队也不能比他们逊色。打好马里亚纳群岛这最后一次大海空战，回头我邀请在这次大海空战中有功的官兵们，到东京去共进午餐。这些话请你都写在电文里。”
“是，将军。”
1944年6月17日，收到尼米兹上将的电报后，美军中太平洋舰队司令斯普鲁恩斯将军立即向米切尔将军下达了作战命令：“我航空兵力首先应摧毁敌航空母舰，然后攻击敌战列舰和巡洋舰，使其减速或丧失战斗力。以后，如敌继续求战，战列舰编队应以舰队行动歼灭敌舰队；如敌人撤退，则击沉其掉队或受伤的军舰。对敌作战，必须全力发动猛烈攻击，务求全歼。”
第58特混舰队在奉命驶入塞班岛西部海域时，为了便于作战，米切尔将舰队分为5个突击大队。具体是：
克拉克海军少将指挥的第1特混大队；蒙哥马利海军少将指挥的第2特混大队；里夫斯海军少将指挥的第3特混大队Ｚ哈里尔海军少将指挥的第4特混大队；李海军少将指挥的第5特混大队。
每个特混大队之间相距约12海里，全部与风向成90度角一线展开。这样，每艘航空母舰就可以互不干扰，随时都能同时转向顶风方向，让飞机起飞，或者转向顺风方向，来收回自己的舰载机。就这样，米切尔庞大的第58特混舰队，在波涛汹涌的马里亚纳西部海面上已摆开阵势，严阵以待。
6月19日凌晨，马里亚纳西部海域乌云低垂，狂风大作，恶浪滚滚。作为攻击日，气候极不理想。凌晨3时30分，小泽海军中将派出了第一批16架侦察机；4点15分，又派出第2批13架侦察机；24点25分，第3批13架侦察机又腾空而起。战幕尚未拉开，小泽的3批侦察机已先后振翅向东方380海里远的海空飞去。
6时34分，首批侦察机在塞班岛以西160海里处发现了由美5艘大型航空母舰组成的一支特混舰队；第2批侦察机也发现了另一支美舰队；第3批侦察机则在关岛以西70海里处发现了由3艘大型航空母舰组成的美特混舰队。这样，小泽基本摸清了美军全部兵力的分布状况。
得到这些情报后，小泽立即制定了出击计划。他自恃日本经过改进的轰炸机和鱼雷机已成功地将作战半径延伸到400海里，他还知道美国人的各种类型飞机由于“恶妇”式战斗机续航力的限制，仅能在220~280海里的范围内作战。因此，小泽决定从380海里的距离上实施第一次进攻，给美舰队以先发制人的打击。然后，乘美舰队混乱之机，再发起200海里乃至250海里的攻击。这就是小泽自己为之得意的新“外围歼击”战术。另外，小泽还把取胜的希望寄托于关岛等处的日本机场和岸基飞机上，其实这些飞机根本不可能帮上他的忙。
尽管小泽还不知道大部分岸基飞机已被美国人的战机所摧毁，但当时整个形势对日本人来说还是比较有利的。因为当时发现的美舰队与小泽舰队前卫相距约为300海里，与小泽主力相距约为400海里，这正是小泽中将梦寐以求的先发制人的理想打击距离。更令小泽庆幸的是，由于美国人的侦察机巡逻半径比较小，美方至今还没有发现小泽舰队！
在这千钧一发的关键时刻，小泽海军中将一声令下，日航空母舰立即逆风向行驶，甲板上飞机的引擎瞬间即发出雷鸣般的轰鸣，决战的时刻终于来到了！
战斗进程按照小泽中将的作战计划顺利展开：清晨7时30分，经过充分准备的第一攻击波庞大机群的引擎发出了震耳欲聋的巨响，129架飞机，其中包括战斗机48架、轰炸机54架、鱼雷攻击机27架，从航空母舰飞行甲板上腾空而起，向美舰扑去。紧接着，第2航空母舰战队和第3航空母舰战队的30架战斗机、15架轰炸机和72架俯冲轰炸机，共计117架飞机也不失时机地咆哮着升空。
就这样，第一攻击波由246架各型战机组成的庞大机群，杀气冲天地向美舰队杀来。上午10点整，第2攻击波的82架飞机（战斗机20架、轰炸机36架、俯冲轰炸机26架）又呼啸着升空，再次向美舰队冲去。11时10分，第3攻击波的69架攻击机又开始了向美舰队的第3次冲击。
小泽中将几乎是孤注一掷地先后射出的3支“利箭”，共有近400架飞机组成，真可谓规模空前。当首批飞机全部起飞后，旗舰上的小泽司令官、吉村参谋长等人人面带喜色，确信好久没有举杯祝贺的机会终于又要来到了。舰桥上的人似乎毫不怀疑，这必将是日本帝国海军有历史意义的一天，也许是又一次对马海战。
然而，有一点却是小泽海军中将所万万没有想到的。这就是美国人新近装备的先进雷达，使小泽那近乎天衣无缝的“外围歼击”战术完全化为泡影。
上午10时左右，当日机第一攻击波的246架飞机渐渐飞到距美航空母舰编队150海里位置时，“列克星顿”号航空母舰上不停转动的雷达荧光屏上便出现了一片密密麻麻的亮点。
“正西150海里处，发现敌攻击机群！”雷达操作员立即报告。
米切尔海军中将盼望已久的与日航空母舰决战的时刻终于如愿到来了。他立即下令出击，300多架美舰载战斗机紧急起飞，前往迎敌。不一会儿，在距美舰队70海里的西部海空，日美双方爆发了举世瞩目的大空战，马里亚纳海空战正式爆发了。
美军方面率首批战斗机前往迎击的是查尔斯·布鲁尔少校，只见他一马当先，11名部下紧紧跟上来，一架接一架朝敌机飞去。布鲁尔少校首开记录，他一开炮就使1架“零”式机凌空开花，当这架日机的碎片还没有坠落到大海时，布鲁尔又打断了另1架日机的机翼，尔后他又巧妙地甩掉1架“零”式机并把它打得起了火。
此时，天空中“恶妇”式战斗机与日改进型“零”式战斗机搅成一团。改进型“零”式机就像蚊子一样灵活地绕着圈，使身体粗壮的“恶妇”式战机难以接近开火。鉴于这种情况，美机马上兵分两路，一支与“零”式机继续纠缠，另一支集中力量专打轰炸机。在密集的弹雨中，10多架“1”式轰炸机先后坠入大海。片刻功夫，日轰炸机就全被打落。尔后，两支机群又一起夹击“零”式机，将日机打得只有招架之力。
美机射出的12．7或20毫米口径的燃烧弹、穿甲弹打中日机即起火，而日机的7．7毫米机枪子弹，除非击中要害部位，否则对美机根本不起作用。其中有1架“恶妇”式飞机的机翼被机枪子弹打得全是窟窿，仍然能威风凛凛地继续格斗。10分钟后，第一攻击波的日机几乎全部被击落。
此刻，为腾出飞行甲板使战斗机能够返航补充弹药、油料，米切尔将军又使出惊人的一着。他命令航空母舰上的所有攻击机全部升空，让这些既因机载火力弱无法参加空战，又因距离远无法攻击的鱼雷机、俯冲轰炸机在安全空域盘旋待命。这一出奇的招术，不仅大大地鼓舞了美军飞行员的斗志，而且为即将来到的空战创造了有利条件。
返回的美机刚刚加油挂弹后，日军的第2波攻击机群又来临了，美机立即投入第2次大空战。只见从“爱塞克斯”号航空母舰起飞的“恶妇”式战斗机冲上去，其他航空母舰上起飞的战斗机也迅速围上来，不到几分钟就打下近70架日机。
空战最激烈时，竟有近20架日机同时中弹起火，其残骸就如同燃烧着的火炬一样慢慢坠入大海。由于前一个时期的空战使许多经验丰富的日军飞行员大量减员，这次补充的多是刚刚从航校临时抓来的学员，不仅驾驶技术不过关，而且毫无实践经验。只见天空中一架架日机，就像被猎枪打伤的水鸭子，劈啪啪啦地直向海水里扎。
就在空战最激烈的时候，米切尔将军却在飞行指挥塔里饶有兴趣地听着无线电里传出来的乱哄哄的声音。这些由叫骂声、机枪机炮射击声、爆炸声组合成的大杂烩，对于米切尔来说，就像是一曲威武雄壮的战争交响曲，一首他终生难忘、永远也欣赏不够的美妙乐曲。突然，一个清晰的声音传入米切尔的耳中：“嘿！这真像古代的捕杀火鸡呀！”米切尔将军牢牢地记住了这句话。因此，这场空前规模的大海空战就以“马里亚纳火鸡大捕杀”而著称于世了。
日军第3攻击波的69架飞机，在预定的攻击区域内没有发现美舰队，大部分飞机不战而归。其余约有24架飞机在寻找目标的途中被美雷达发现，随即从航空母舰“大黄蜂”号和“受塞克斯”号上紧急起飞了50多架“恶妇”式战斗机前往截击，不一会儿，天空中的日机便纷纷爆炸，碎片满天飞舞，20多架日机转眼之间便无影无踪了。只见空中有红色的近爆闪光、有黑色的硝烟弥漫、有洁白的降落伞穿插其间，把中太平洋那碧海蓝天搅得昏天黑地。
就这样，马里亚纳海空战以日本人的彻底失败、美国人的完全胜利而告结束。