★“辉煌”的战果
上述3个攻击波返回母舰的飞行员，向小泽报告击伤美军5艘航母和1艘巡洋舰，比真实情况夸大了许多，使小泽认为战果辉煌，决定出动所有飞机乘胜追击，给美军更大的打击。10时15分，乙队出动了50架飞机，其中轰炸机27架、战斗机20架、鱼雷机3架，在目标海域没有发现美舰，便按计划飞往关岛降落，在关岛将要着陆时遭到了美机的攻击，日军14架战斗机、9架轰炸机和3架鱼雷机被击落，降落在关岛的日机，机场跑道因美军轰炸而被严重破坏，所以在着陆时受到很大损失，几乎没有一架没受伤，因而无法再次起飞参战。10时20分，甲队出动18架飞机，其中轰炸机10架，鱼雷机和战斗机各4架，途中遭到美机有力拦截，被击落轰炸机8架、鱼雷机1架，另有1架鱼雷机因伤势过重于返航途中坠海。10时30分，乙队再度派出9架轰炸机和6架战斗机，到达目标海域没有发现美军，便在附近进行搜索，结果终于找到了美军的第二航母大队，立即实施攻击，美军“邦克山”号航母被一枚炸弹击中，所幸损伤轻微，日机则在美舰猛烈高炮火力下，损失了5架轰炸机和4架战斗机。日军距离美军最近的丙队，忙于回收返航的飞机，没有出动飞机。
日军在这4次攻击中，总共损失192架，而在关岛降落的飞机也大多被击毁，航母上的舰载机只剩102架，其中战斗机44架、战斗轰炸机17架、轰炸机11架和鱼雷机30架。小泽原打算如果战果较大，则于次日前进至马里亚纳群岛附近，继续实施攻击；如战果较小，则暂时向西退避，调整兵力后再行决战。但直到傍晚，他仍不清楚战果究竟如何，又不清楚出击的飞机中有多少在关岛着陆，只得率领舰队向北航行，后又转向西北航行。并进行海上加油，准备次日再战。
由于“羽黑”号巡洋舰的通信系统较弱，小泽于20日12时再改以“瑞鹤”号航母为旗舰。
4.击沉“大凤”号和“翔鹤”号
19日的战斗中，美军飞机没有对日军舰队实施攻击，倒是“大青花鱼”号和“刺鳍”号潜艇先立下头功，击沉了日军两艘3万吨级的大型航母，分别是日旗舰“大凤”号和久经疆场的“翔鹤”号航空母舰。美军“大青花鱼”号潜艇突破了日舰的警戒圈，向“大凤”号航母齐射6条鱼雷，有一条被刚起飞的轰炸机撞毁，由于“大凤”号正在组织舰载机起飞，无法进行规避，一条鱼雷命中右舷前部升降机附近舰体，“大凤”号是日军吸取了中途岛海战经验建造的新型航母，飞行甲板有100毫米装甲防护，机库采用封闭式，以加强生存能力，还有先进的区域火灾控制和自动喷水灭火系统，完全可以承受500公斤级炸弹轰击，因此完工时被誉为“不沉的航母”。凭着厚实的装甲防护，一条鱼雷造成的损失对航母并不会有致命的危险，很快经过有效的损管措施，“大凤”号仍能保持战斗航行，似乎并不在意这条鱼雷。但航母所使用的婆罗洲原油挥发性很高，而鱼雷爆炸撕裂了输油管道，原油蒸汽慢慢从管道的裂口里挥发出来，在通风性极差的封闭机库里逐渐积聚，在中雷的6小时后，机库内积聚的原油蒸汽发生了大爆炸，火势迅速蔓延，甚至将装甲飞行甲板都烧得严重变形扭曲，继而全舰停电，大火又引爆了弹药舱，使得航母内部的大爆炸接二连三。小泽见情况不妙，先令“若月”号驱逐舰靠近帮助接下舰员，再改以“羽黑”号重巡洋舰为旗舰，“大凤”号于16时28分沉没，有1650名舰员随舰葬身大海。但日军的灾难并未结束，从菲律宾海域跟踪小泽舰队的“刺鳍”号潜艇紧接着也突破了日舰的警戒，向“翔鹤”号航母发动了攻击，由于负责保护“翔鹤”号的驱逐舰声纳装备比较落后，在众多军舰活动的海域根本无法发现美军潜艇的逼近，使“刺鳍”号从容在“翔鹤”号右舷前方1100米处占据了有利发射阵位，齐射了6条鱼雷，3条鱼雷直接命中，海水从炸开的破口汹涌而入，航母内部也燃起大火，并不时发生爆炸，舰体很快产生倾斜，14时10分沉没，有1271名舰员丧生。而“刺鳍”号随即遭到日军驱逐舰长达3个小时的追踪，总共承受了105枚深水炸弹的攻击，幸运的是，“刺鳍”号凭借着灵活的机动，只受了轻伤，终于摆脱日舰攻击后返回塞班岛。
袭击后两个半小时，这两艘航空母舰因发生剧爆而沉没，日舰员伤亡惨重。小泽及其参谋们仓皇转移到“瑞鹤”号航空母舰之上。日军组织了4次对美军舰队的攻击，出动飞机286架次，损失192架，却只击伤了美军2艘航母和2艘战列舰。美军仅损失战斗机23架。
★美军夜间的搜察
美军挫败了日军的4次攻击，回收了出动的飞机之后，天色已晚。斯普鲁恩斯知道美军已经胜券在握，日军迂回攻击塞班岛登陆滩头的可能已不复存在，指示米切尔夜间可组织侦察机搜索，舰队则连夜进至能够攻击日军舰队的位置，一旦确实掌握日军舰队位置，明晨即可发起攻击。米切尔根据这一指示，除留下第4大队在塞班岛海域负责压制关岛和罗塔岛日军航空基地，亲率其余3个大队彻夜西进，准备明日攻击，他考虑到飞行员已经激战整整一天，相当疲劳，夜间没有派出飞机搜索。
20日天亮后，米切尔指挥舰队一面西进一面出动飞机进行搜索，但直到中午，仍未发现日军舰队。米切尔知道美军舰队航速为24节，日军舰队航速仅18节，直到现在没有发现日军，肯定是追击的航向不对，便改为向西北追击。下午16时许，才有一架飞机报告在西北约220海里发现日军舰队，距离远不说，而且出击飞机返航时天色肯定全黑了，美军大部分飞行员还没有进行过夜间着舰训练，但如果现在不出击，等待次日天亮再出动，就将失去战机。米切尔思考一番后，决心立即出击！16时20分，美军航母转向逆风组织舰载机起飞，地勤人员行动极其迅速，在10分钟里就有216架飞机升空，其中战斗机85架、轰炸机77架、鱼雷机54架。由于航程较远，所有战斗机和轰炸机都携带了机腹副油箱。
航母在舰载机起飞后，恢复西北航向全速前进，以尽量缩短舰载机返航的距离。
美军第一攻击波起飞不久，侦察机又更正了日军舰队的新位置，比原来报告的又远了60海里，米切尔一度曾考虑将第一攻击波召回，在与其参谋人员商量后，决定不召回第一攻击波，但取消了正准备出击的第二攻击波。
17时30分，美机先发现了日军的补给船队，部分美机立即进行了攻击，击沉了日军“玄洋丸”和“清洋丸”两艘油船，击伤了“速吸”号油船。其余美机继续向西，很快发现了日军舰队，便展开攻击。
小泽早在16时就知道美军航母编队正在后面进行追击，而且自己位置也已暴露，肯定会遭到美军飞机的攻击，便停止海上加油，全速向西北撤退，并以部分水面舰只组织了一支断后编队，向东航行，担负掩护。随后将舰队残存的75架战斗机尽数派出，进行空中掩护，同时3个编队相互靠拢，缩小间距，以便发扬护航军舰的防空火力。
美机临空后，先与空中的日军战斗机发生空战。尽管日机数量上、性能上以及飞行员素质上都比美军差，被击落40余架，仍相当顽强拼死苦战，协同水面舰只的防空火力击落美机20架。美机突破日机空中拦截后，对日军舰队进行了猛烈攻击，击沉了“飞鹰”号航母，击伤了“瑞鹤”号、“隼鹰”和“千代田”号航母、“榛名”号战列舰和“摩耶”号巡洋舰。
5.意外的降落问题
美机完成攻击后，开始在越来越暗的夜色中返航。一些在战斗中受伤的飞机首先因燃油耗尽坠海，没有受伤的飞机也陆续有些因为燃油耗尽而在海上迫降。返航的飞机到达舰队上空时，航母已经转向顶风做好了接受飞机着舰的准备，但根据美国海军的战时规定，要实行严格的灯火管制。返航的飞机在舰队上空盘旋，除了少数技术高超的飞行员外，大多数飞行员根本无法分辨出哪些军舰是航母，也就无法降落。这些飞机有的燃油已经用完，有的即将用完，飞行员打开识别灯，在舰队上空盘旋，并不断用无线电急切呼叫航母指示位置，但航母没有任何反应，一些飞行员只好放弃了着舰的打算，在海面进行迫降。此时编队司令米切尔在旗舰作战舱里来回踱步，焦急地思考，如果打开航行灯，整个舰队就有可能遭到日军潜艇的攻击；如果不打开灯，这批飞机和飞行员将会白白损失，他独自沉思了片刻，最终果断地下令：“开灯！”，因为他深知，失去了这批飞机和飞行员，特混编队也就失去了战斗力。
刹那间，所有的航母都打开了红色的桅顶灯，甚至连航行灯、锚灯都打开了，为了更清楚地显示航母位置，还用大功率的探照灯垂直向上照射，飞行甲板上灯火通明，亮如白昼，有些军舰还发射了信号弹，整个舰队热闹异常，有人说就像是好莱坞的彩排、中国的春节和美国的独立日赶到了一起。航母还不断用无线电和广播通知飞行员，可以在任何一艘航母上降落。尽管如此，返航的飞行员因燃油即将耗尽，有些竟然不顾信号和指挥，争先恐后降落，秩序混乱，发生了多起事故。一位飞行员不顾“列克星顿”号航母的等待信号，强行降落，结果一连撞上甲板上刚降落的六架飞机，造成两死六伤；还有两架飞机都急于降落，保持不住着舰间距，在“邦克山”号航母上空相撞，两死四伤。不过，也有奇迹，一架战斗机和一架轰炸机几乎同时在“企业”号航母上降落，战斗机尾钩钩住了第二根拦阻索，轰炸机则钩住了第五根拦阻索，双双安然无恙。而驱逐舰和水上飞机一见有飞机在海面迫降，就立即赶去援救落水飞行员。至二十二时，舰载机的着舰作业才告结束，总共有80余架飞机因迫降或相撞而损失，是战斗损失的四倍，由于驱逐舰和水上飞机的全力营救，落水飞行员除49人外，大都获救。讽刺的是，联合舰队的全力攻击只使敌手损失40架飞机，竟不及夜间降落对美军造成的损失。
米切尔随即率领编队西进，20日整个夜间和21日上午，都沿着飞机返航的航线航行，以搜寻落水的飞行员。斯普鲁恩斯原想乘胜追击，扩大战果，并计划在21日白天再次出动飞机或使用战列舰为主的水面战舰，彻底消灭小泽的残部。但21日上午，美军的侦察机发现日军舰队在360海里外正以20节航速向西北撤退，而美军为了救援落水飞行员，航速仅16节，双方的距离正越来越大，眼看无法追上，斯普鲁恩斯只好下令停止追击，向塞班岛靠拢，以配合登陆编队完成登陆任务。
6.狼狈撤退的日军
19日当天战斗结束时，战役结果已大致明朗。小泽舰队被美国潜舰击沉两艘大型航空母舰，派出的326架舰载机中仅130架返回日本航空母舰，加上角田在关岛折损的50架及随大凤、翔鹤沉没的飞机，日本总损失315架。美方取得史上最大舰载机空战的压倒性胜利，空战中仅仅损失23架，6架飞机在操作意外中损毁，此外仅有两艘航舰、两艘战斗舰受到轻微损伤。
原本美军第58特遣舰队19日白天不断派出侦察机，欲寻找日本舰队并歼灭之，但在小泽舰队的战术使用下而未成功探查到日舰的踪影。同日15时，鉴于日本分兵合击的顾虑逐渐消除，斯普鲁恩斯终于准许米契尔第二天朝日本舰队前进。鉴于飞行员已在白天的空战中消耗不少体力，米契尔并未在夜间派出侦察机，20日上午一面西进一面派机侦察，仍一无所获。因为19日夜间小泽舰队转往西北，暂时避开跟第58特遣舰队的接触并进行加油，小泽意图第二日再度派出其剩余百余架的舰载机，同时计划联合已飞往马里亚那加油添弹的舰载机一同袭击美舰（但大部分飞往马里亚那的舰载机已被击落）。
20日上午，小泽再移乘其所在的甲队唯一剩余的航空母舰瑞鹤，此时由于通讯改善，下午1时小泽终于得知前一天空战的结果，由于大量舰载机损失，日军仅剩百余架飞机可以出击。即使如此，小泽仍打算协同陆基航空队对美军再进行一次打击。小泽正决断之时，前卫舰队司令栗田自旗舰爱宕重巡洋舰向小泽通报：美第58特遣舰队向己方逼近，距离已不到300海里。
15时40分，“企业”号的一架侦察机发现小泽舰队，自海战展开30个小时以来，第5舰队终于首度发现一直躲藏在侦察距离外的敌舰队。可时机却极为尴尬，因为双方舰队距离275海里，第58特遣舰队若发动进攻则将使其舰载机面临危险的夜间降落。米切尔虽然左右为难，但为免坐失战机，依旧发下唯一有可能的指令：出击！16时21分，第58特遣舰队第1、2、3支队派出216架飞机进攻，启动这场海战中第五舰队唯一一次的攻势。16时15分日军方面也发现美舰队，17时25分甲队唯一的航空母舰“瑞鹤”出动7架鱼雷机去攻击，前卫部队的栗田中将也因为收到夜战命令而向东进。但美军飞机已先赶到日舰上空，开始攻击日舰。
被美机发现后，小泽下令舰队向西北各自高速逃脱，并抛弃补给舰队。18时40分，美机抵达补给舰队上空，重创两艘油轮，两舰后来都被迫自沉。随后一心想寻找日本航空母舰的美机群飞到日本舰队上空，日落前展开匆忙的攻击。中型航空母舰“飞鹰”号被一枚鱼雷击中，引发大火，2小时后沉没，而航母隼鹰、龙凤、千代田、瑞鹤，战舰伊势、重巡摩耶都被炸弹击伤，其中小泽的旗舰瑞鹤伤势较重。日本在这波攻击中又损失65架飞机，美国则损失20架。由于小泽下令各舰自行运动及美国舰载机攻击过于匆忙，因此这波攻击成果并不特别出色。
当日晚8时46分，小泽接到丰田的撤退命令，便率领机动舰队本队向中城湾撤退；而掩护本队撤退的断后编队，因敌情不明夜战无望，小泽命其停止东进，也向西北撤退。此时，日军舰队的舰载机仅剩35架，战列舰和巡洋舰上的舰载水上飞机也仅剩12架，几乎丧失了战斗力。
21日，小泽命令断后编队驶往吉马拉斯岛，本队则驶向中城湾，撤退途中，由丙队的11架飞机实施空中警戒，其余两个战队的飞机则做好随时起飞准备，一旦发现美军飞机前来，全部起飞做最后的决死战斗。
22日，小泽率本队驶入中城湾，断后编队则因航行途中海况恶劣也转至中城湾，休整一天后，返回濑户内海，受伤的军舰开往船厂修理，其他军舰返回柱岛锚地。机动舰队的补给船只23日进入吉马拉斯岛，装上婆罗洲的原油后驶往濑户内海。
★马里亚纳海战的影响
这场有史以来规模最大的航母间海战，至此结束。日军将此次海战称其为“马里亚纳海战”，美军则称为“菲律宾海海战”，海战中，美军仅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。