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S“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！小泽的心中非常不安。
只见天空中美“恶妇”式战斗机就像老鹰捉小鸡似的冲向日机，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，在夕阳的余晖下冒死攻击，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。
5.乐极生悲
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劈劈啪啪的响声。
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”。