7架飞机返回航空母舰；而美军除一架飞机外，其余全部返回航空母舰。
小泽从其主力中派出128架飞机编成第2波突击机群出击，但刚刚飞出50海里，就遭到“恶妇”式战斗机群的截击，飞机损失近半。后来突防成功，飞临美军编队上空的日机又有多架被击毁。飞抵美航空母舰编队上空的数架日机中，有2架轰炸机投下的炸弹落在“邦克山”号航空母舰近旁，引起大火；另有一架日机撞到李海军中将的旗舰“印第安纳”号的舰舷上。这次出击的日机只有31架返回航空母舰。
由47架舰载机组成的第3波突击机群，其中的大部分飞机没有发现第58特混舰队。日机这次出动，未给美军造成任何损伤，自己反而损失7架飞机。小泽的最后1波突击机群由82架舰载机组成，编为3个分队。一个分队在离美舰尚远时即受到截击，飞机损失过半。另一个分队虽然飞临美航空母舰编队的上空，但是仅有几颗炸弹投在美舰附近，使美舰受到轻微损伤，而自己几乎全部被歼。第3个分队丧失了投弹机会，把炸弹投到海上后飞向关岛。但又遭到“恶妇”式战斗机的截击，30架被击落；其余19架试图在弹痕累累的跑道上强行着陆，也遭到严重损失。第4波突击机群的飞机只有11架返回了航空母舰。
这次作战历时8个小时，日本海军航空兵损失惨重，美国飞行员把这次海上空战比作是“猎取马里亚纳火鸡”。当海上的空战打得正酣时，2艘美国潜艇悄悄穿过日主力舰队警戒薄弱之处，攻击了2艘大型航空母舰。其中之一就是小泽的旗舰，这艘新造的“大凤”号航空母舰被“大青花鱼”号潜艇发射的一条鱼雷击中。3小时后，“棘鳍”号潜艇攻击了久经疆场的“翔鹤”号航空母舰，又有3条鱼雷命中目标。这两艘航空母舰的油舱破裂，婆罗洲原油的油烟和爆炸性瓦斯充斥全舰。虽经损管队奋力排险，然而，要想制止险情的发展毕竟还是无能为力的。
午后，这2艘航空母舰爆炸沉没，舰员伤亡惨重。幸存的人员中，有小泽及其参谋们，他们从正下沉的“大凤”号航空母舰转移到巡洋舰，后来小泽又把他的司令部转移到“瑞鹤”号航空母舰。
根据飞行员的报告，小泽确信第58特混舰队已经受到重创。因此，他命令所属舰只撤出战斗，驶向西北，准备补给燃料后次日再投入战斗。查明损失情况的小泽得知其航空母舰舰载机已由430架减少到100架，便决定将原定攻击延期到21日进行。
当第58特混舰队在罗塔岛以西35海里海域收回最后一架“猎取火鸡”的舰载机时，天色已黑。这时，日军的舰载机已被击溃，斯普鲁恩斯作好了追击日机动舰队的准备。米彻尔留下一个航空母舰特混大队继续封锁关岛和罗塔岛，自己率领其他几个特混大队彻夜向南（略偏西）航进。他所以采取这一不妥当的接敌航向，是因为把日军的位置判断错了。尽管美军舰队的航速比日军的快5节，但是双方之间的距离却没缩小多少。20日上午向西搜索，没有发现目标。米彻尔便在中午改变航向，向西北航进，但是，为了保障侦察机的起飞和降落，不得不数次转向，迎着东风航行，这就耽误了对日本舰队的追击。
追击还在继续进行，然而能否追上似乎希望不大。这是因为，还没有一架美军飞机发现日本机动舰队。自从前一天中午接到“棘鳍”号潜艇袭击“翔鹤”号航空母舰的报告后，米彻尔没再收到有关小泽舰队位置的任何情报。但在16时许，终于等来了盼望已久的报告。一架巡逻机发现，日本机动舰队正在第58特混舰队西北偏西220海里海域向西航行。
可是，日本舰队远在美军航空母舰舰载机的最大战斗活动半径之外。如果米彻尔命令舰载机从这样远的距离、在这么晚的时间实施攻击的话，返航时天色已黑，飞行员必须在夜暗中着舰，但这个科目还未进行过训练。平时，米彻尔对待飞行员有着慈父般的心肠，尽量避免派遣飞行员去执行冒险的空袭任务。可是这时日本机动舰队已经进入美舰载机的战斗活动半径之内，米彻尔认为除实施攻击外，别无其他选择。介是，他果断地下达“全部飞机出击”的命令。
至16时30分，停在飞行甲板上的第1波突击机群战斗机85架、俯冲轰炸机77架和鱼雷机54架已经升空。然后，为了飞机的起飞而迎风航行的第58特混舰队，又恢复了接敌航向，加速前进，以便缩小返航飞机的飞行距离。接着米彻尔就发现一个无法弥补的错误，即侦察机的飞行员报错了日本机动舰队的位置。不久，这位飞行员作了更正。根据后来的更正看来，日本舰队比原来所报的位置远60海里。16时5分，“列克星敦”号航空母舰（米彻尔的旗舰）收到这份更正报告，但因该舰当时的通信量太大，经报务员收录、翻译后，急急忙忙把这份电报送给米彻尔时，攻击已经开始。当小泽舰队继续西进时，第58特混舰队为使飞机起飞，不得不转而向东航行。这样一来，美国航空母舰的舰载机群实际上要飞出300余海里才能实施攻击。所以，第58特混舰队必须以最大航速驶向日本机动舰队，才能大大缩短舰载机的返航航程。
米彻尔看到有关日本舰队准确位置的报告后，曾经考虑召回已出击的机群返航，但是研究了海图以后，决定不召回第1波突击机群，仅仅取消了第2波突击机群的起飞准备。
落日前，第58特混舰队的飞行员发现低速行驶的日本油船数艘。有几架美机去袭击这几艘油船，并击沉2艘。其余美机则向西北作扇形搜索，以追踪日本航空母舰部队。经过连续突击，美轰炸机群炸毁了“千代田”和“瑞鹤”号航空母舰的飞行甲板，并使这2艘航空母舰起火，还炸伤战列舰和巡洋舰各一艘。数架“复仇者”式鱼雷机从云隙间俯冲下来，在低空成功地发射了鱼雷，有1至2条鱼雷击中“飞鹰”号航空母舰。该舰因大火引起舱内爆炸，舰体断裂，从舰首开始逐渐下沉，最后沉入海底。这是这次击沉的唯一的一艘战斗舰只。
小泽命令剩下的75架飞机起飞抗击，这些刚刚经过马里亚纳海战考验的日军舰载机打得很出色。日军的高射炮火和猛扑过来的“零式”战斗机相互配合，击落20架美军飞机，但是日军的损失更大。到6月20日日落时日本机动舰队的舰载机仅仅剩下35架了。
美航空母舰舰载机群完成战斗任务后，开始向第58特混舰队的方向返航。但有几架轰炸机和鱼雷机的油量表已经远远低于满载油量的一半，个别飞机的油量表指针甚至接近于零，处于危险状态。有些损伤严重的飞机首先坠人大海；接着，那些不注意节约汽油的飞行员也随着飞机落入海中；也有一些飞行员想赶在黄昏之前着舰，竟浪费了一些汽油；甚至还有一个分队通过无线电约定，待燃料耗尽后一同降落在海面上。
米彻尔命令他的3个航空母舰特混大队加大相互之间的距离，以便飞机着舰时能有更大的机动余地。秒针在不停地嗒嗒嗒转动，米彻尔在海图室与舰桥之间忐忑不安地踱来踱去。20时刚过，负责对空指挥的参谋报告：返航的第1批飞机即将临空。于是，美航空母舰特混舰队转而向东迎风航进，以便回收返航的飞机。
米彻尔回到海图室坐了下来，一面默默地吸着香烟，一面沉思起来。假如他解除特混舰队的灯火管制，打开探照灯，就能救起在海上迫降的多数飞行员；可是，这就暴露了本舰队的位置，有可能受到日本潜艇和航空兵的攻击。然而，米彻尔知道，他必须营救落水的飞行员，这不仅出于人道主义的考虑，而且是因为，如果航空母舰丧失了舰载机，它就不再是一种资本，而只能是一个累赘。于是他命令参谋长阿利·伯克海军上校：“开灯”。米彻尔的这种作法并非没有先例。中途岛海战时，为了在夜间回收返航的飞机，斯普鲁恩斯就曾果断地开灯。中途岛海战时，米彻尔任“大黄蜂”号航空母舰舰长。阿利·伯克（绰号是“31节·伯克”）在所罗门作战中因率驱逐舰编队屡建战功而负盛名；在空袭帛琉之前，他被任命为第58特混舰队的参谋长。
然后，米彻尔回到舰桥。不久，航行灯、锚灯等全部打开，把飞行甲板显示以来。担任警戒的军舰以127毫米火炮发射照明弹，而探照灯象导航灯塔一样，明亮的光束一直射向天空。
引导着舰的军官前后左右挥动着荧光棒，引导第1批的几架飞机安全着舰。但足，陆续返航的飞机都在进行着舰前的盘旋飞行，秩序较乱，引导着舰的军官很难让它们依次着舰。一发现有飞机耗尽油料在海上迫降肘，驱逐舰立即前去救生。还命令飞行员可在任一航空母舰降落。飞机在舰队上空盘旋，以便找到能够降落的飞行甲板。有一名飞行员竟不顾“列克星敦”号发出的等候着舰的信号，硬是向舰上降落。结果，与刚刚降落的6架飞机相撞，2人致死，6人负伤。还有2架飞机不顾信号，争先恐后地向“邦克山”降落，相互冲撞，2人死亡，4人受伤。在“企业”号航空母舰上，有1架战斗机和1架轰炸机同时降落，却出乎意外地安然无事。战斗机的机尾制动钩钩住了第2拦阻索，轰炸机的机尾制动钩钩住了第5拦阻索。
经过这场对日本舰队的黄昏追击战后，美国飞机因为在海上迫降或者着舰时发生碰撞而损失80架。22时32分，飞机着舰作业完毕后，第58特混舰队又向刚才交战的战场方向驶去，当夜的通宵和次日的一整天都是沿着飞机返航的航线，以16节航速前进。参加6月20日追击战的飞行员共为209人，除49人外，其他落水人员全被驱逐舰和水上飞机救起。
据斯普鲁恩斯判断，美国舰队为了回收返航飞机，已经向东航行了2个小时，接着又为援救落水人员而低速航行。这样一来，退却的日本舰队已经逃到美军再次实施空中突击的可能距离之外。21日晨，据“复仇者”式远程飞机报告，日机动舰队正在360海里以外的海域以20节航速向西北驶去。21日全天，几架“恶妇”式战斗机都在上述海域搜索，以捕捉可能掉队的日舰，但一无所获。日落后一小时，斯普鲁恩斯下令停止搜索，第58特混舰队开始向东航进。
一方面由于“大青花鱼”号和“棘鳍”号潜艇没有留在现场观察6月19日鱼雷攻击的战果，另一方面由于第58特混舰队的飞行员对战果的报告互不一致，美军在判定战果时只能较有把握地认为，击沉日本大型航空母舰1艘，重创轻型航空母舰2至3艘。这样的战果使许多海军军官感到失望，他们认为这与预期的绝对胜利相差甚远。
尽管尼米兹和金两位将军一致赞同斯普鲁恩斯的决定，认为在日军的航空兵力被摧毁之前他的舰队留在塞班岛附近海区活动是对的，但是斯普鲁恩斯本人却认为，掩护登陆地域的行动过于拘板，因而感到遗憾。如果米彻尔6月19日向西航进，前去袭击日本机动舰队的话，那么，就会在日本的几艘大型航空母舰还在100海里之外时首先与栗田的前卫编队遭遇。
正因为第58特混舰队留在马里亚纳群岛附近海域全力执行防御任务，所以才能把全部战斗机都用来阻击日本机动舰队的舰载机。担任掩护任务的舰载机，在李海军中将的战列舰编队等兵力的支援下，将来袭的日机大部击落，并歼灭了关岛的日军飞机。这样就使第58特混舰队19日处于能把日本机动舰队打得狼狈不堪的有利地位。日本的航空母舰虽然大部逃之夭夭，但其训练有素的飞行员却损失殆尽了。
南马里亚纳群岛登陆
在日本机动舰队被切实击败之前。美第5舰队不能对马里亚纳群岛的登陆作战进行充分的支援。如前所述，在塞班岛开始登陆之前，仅仅进行两天的火力准备，而且在菲律宾海海战期间，又令一些不能参加海战的两栖作战舰只退出作战海域，以便根据海战的结果采取行动。美军在海战中取胜，使这种情势为之一变。日本的海军兵力已经不能构成很大的威胁了。因此，第5舰队的航空母舰舰载机和炮火支援舰只就能全力以赴地去支援美军在塞班岛的陆上作战和即将开始的提尼安岛以及关岛的登陆作战了。
当登上塞班岛的2个海军陆战师需要向该岛北部发展进攻时，霍兰·史密斯中将命令步兵第27师以这条战线的中部为其进攻的正面。但是，该师仍象进攻马金环礁和埃尼威托克环礁那样，战术拘谨，行动迟缓，几乎无法向前推进。这样就使正在向前推进的两个海军陆战师的内翼越来越暴露。史密斯将军再也不能容忍这种状态继续下去，便在征得特纳和斯普鲁恩斯的同意后，撤换了步兵第27师师长。
此后，在舰炮和飞机的大力支援下，美军的岛上部队相互协同，已经进�