第一波美军上岸，九时许，第一批部队陆续上岸。
与此同时，日军联合舰队的主力第一机动舰队正在步步逼近，早在6月9日，日军侦察机就发现停泊在马朱罗锚地的大批美舰忽然失踪，由此推测美军即将发动一场大规模的进攻，丰田副武便于次日命令各部作好战斗准备，但直到此时，日军还认为美军的主攻方向是在新几内亚群岛西北部和加罗林群岛西部，将帛琉群岛海域作为决战地域。6月11日，美军航母编队开始袭击马里亚纳群岛，日军仍认为这是美军牵制性的行动。直到6月13日，美军登陆编队出现在塞班岛海域，并开始炮击塞班岛，这才清楚美军的意图，丰田于当天下午十七时三十分下令暂停在新几内亚群岛比阿岛的“浑号作战”，准备实施“阿号作战”，并命令第一机动舰队和第五岸基航空部队调去参加“浑号作战”的部队火速归还建制。
此时，第五岸基航空部队已在“浑号作战”中遭到不小的消耗，而且飞行员中很多人得了“登革热”病，无法执行作战任务，日军只得从横须贺海军航空兵中抽调120架飞机组成八幡航空队，由松永贞市中将任司令，火速南下参战。
小泽率机动舰队除参加“浑号作战”以外的军舰13日从塔威塔威出发，前往吉马拉斯岛完成战前训练，就在航行途中接到丰田实施“阿号作战”的指令，一面率领舰队兼程北上，一面命令宇桓缠中将指挥参加“浑号作战”的舰只火速返回。14日黄昏小泽所部到达吉马拉斯岛，立即连夜进行补给，15日一早，就离开吉马拉斯岛穿过圣贝纳迪诺海峡，进入太平洋。16日十五时与宇桓率领的舰只在萨马岛以东海域会合，一齐东进。17日十五时三十分，机动舰队所有军舰进行了海上加油，并完成了最后的战斗准备。小泽命令补给船只西撤，自己率领9艘航母（共搭载舰载机439架）、5艘战列舰、14艘巡洋舰和31艘驱逐舰继续向东。不久就接到丰田发来的电报：“皇国兴废，在此一战，全体将士务须全力奋战！”小泽随即将这一电报通报全体官兵，并在旗舰“大凤”号航母主桅上升起了“Z”字旗，“Z”字旗是三十多年前对马海战中，日本海军的军神东乡平八郎在其旗舰“三笠”号战列舰上升起的战旗，从此后就成为日本海军胜利的象征，小泽如此做无非是想借这面旗帜重振士气。
小泽将机动舰队分为三部队：第三航空战队（本文以下简称丙队）为前卫，由粟田健男中将指挥，共有3艘轻型航母、4艘战列舰、9艘巡洋舰和12艘驱逐舰，舰载机90架；第一航空战队（本文以下简称甲队）由小泽亲自指挥，共有3艘大型航母、4艘巡洋舰和12艘驱逐舰，舰载机214架；第二航空战队（本文以下简称乙队）由城岛高次少将率领，共1艘大型航母、2艘轻型航母、1艘战列舰、1艘巡洋舰和7艘驱逐舰，舰载机135架。甲乙两队在丙队后方约100海里处跟进。各部均以航母为核心排成环形队形。小泽计划利用日机作战半径大于美机的优势，与美军舰队保持一定距离，先以马里亚纳群岛的岸基航空兵攻击美军，再以航母舰载机从超远距离起飞，攻击完美军后在马里亚纳群岛机场降落，这样就能使日军舰队始终处在美军攻击范围之外。表面上这是个不错的计划，但马里亚纳群岛上的绝大部分岸基航空兵已经被美军消灭，而岛上的日军为了保全面子，没有如实将情况通报给小泽，致使这一计划从一开始就建立在自欺欺人的基础上。
再说美军“小银鱼”号潜艇13日发现从塔威塔威出发的小泽舰队。15日傍晚，“飞鱼”号潜艇发现刚驶出圣贝纳迪诺海峡的小泽舰队。15日深夜，“海马”号潜艇则发现了在苏里高海峡东南航行的宇桓舰队。斯普鲁恩斯接到上述潜艇的报告，知道日军至少有两支舰队正向塞班岛驶来，考虑到日军常采取分兵合击迂回包抄的战术，为确保登陆编队的安全，斯普鲁恩斯决定推迟对关岛的进攻，计划在关岛登陆的部队暂向东规避。16日斯普鲁恩斯与特纳商量了战局，确定以应付日军舰队的进攻为当务之急，并临时从登陆编队中抽调重巡洋舰5艘
、轻巡洋舰3艘、驱逐舰21艘，加强航母编队的警戒力量。同时命令北上攻击硫黄岛的两个特混大队迅速返回，集中全力对付日军舰队。
14日北上的第一、第四特混大队15日、16日连续两天对硫黄岛及父岛、母岛进行了空袭，共击毁日机约130架，并严重破坏了这些岛屿的机场，美军只损失飞机4架，彻底消除了日军硫黄列岛地区的岸基航空兵协同小泽舰队夹击美军的企图。16日下午十七时，第一、第四大队收回了出击的飞机开始南返，并于18日中午在提尼安岛以西150海里与第二、第三大队会合，当五十八特混编队的四个大队会合后，斯普鲁恩斯判断日军可能以航母舰载机先在美军飞机攻击距离之外发动空袭，然后到塞班岛和关岛机场降落加油挂弹，再飞回航母，中途还能再次对美军舰队进行打击，这就是所谓的“穿梭轰炸”，最后再以战列舰和巡洋舰实施炮火攻击。因此他决定组建一支由战列舰和巡洋舰组成的编队，部署在航母编队以西海域，构成第一道屏障。如果日机前来攻击，首先就会遭到该编队的防空炮火拦截，这样就可以转移对航母编队的攻击，减轻航母编队的压力；如果日军战列舰杀来，也必须先和该编队交锋，可以有效掩护航母编队，保存空中打击力量。并于17日十四时下达了作战计划，根据这一计划米切尔抽调快速战列舰7艘、重巡洋舰4艘和驱逐舰14艘，组成新的特混大队，由威利斯&；#183；李海军中将指挥，部署在最西侧海域。此时，五十八特混编队就变成了五个大队，共有15艘航母、7艘战列舰、24艘巡洋舰和74艘驱逐舰，航母舰载机共891架，加上战列舰、巡洋舰所搭载的水上飞机共计965架。
18日下午，美军五个大队均呈环形防空队形，每个大队之间相距十二至十五海里，所有航母都与风向成90度，以便随时转向逆风起飞飞机或顺风接受飞机降落，至此美军已完成了临战准备。但直到黄昏，派出的多架侦察机也没发现日军舰队，斯普鲁恩斯为防备日军从侧翼迂回攻击登陆滩头，特地指示米切尔不要远离马里亚纳群岛，白天西进，入夜后则东返。天黑后第五十八特混编队最远到达距塞班岛西南270海里处，仍未发现日军舰队，便掉头东返。深夜，珍珠港的美军无线电测向站根据侦听到的日军无线电信号，报告日军舰队在特混编队西南355海里。米切尔觉得应改变预定计划，乘着天亮前的几小时西进，以便将日军舰队纳入舰载机的攻击范围，次日拂晓发起攻击，马上将这一意图向斯普鲁恩斯请示。斯普鲁恩斯接到米切尔的请示，立即在旗舰的作战室召集参谋军官研究，尽管他也很想抓住这一战机，消灭日军的航母部队，但谨小慎微的他认为还是应该以保护登陆编队和登陆滩头为首要任务，而且日军舰队的具体确切位置，无线电测向与潜艇报告的还有出入，鉴于现在还无法确定，因此答复米切尔，在切实掌握日军舰队位置之前，暂不西进。这使得米切尔和特混大队的司令极为不满，他们认为将第五十八特混编队这样一支具有极强突击力的舰队仅作为登陆编队的守护者，实在是大材小用了。战后，斯普鲁恩斯也因为这样一个保守谨慎的决策而遭致很多人的指责。但米切尔还是遵照他的命令，19日拂晓将编队部署在塞班岛西南90海里。
米切尔担心日军舰队和马里亚纳群岛的岸基航空兵实施两面夹击，虽然塞班岛机场已被美军登陆部队攻占，但关岛和罗塔岛的机场还有日军飞机，因此，米切尔先发制人于19日清晨出动飞机攻击这两岛屿上的日军机场，将正准备起飞的35架日机大部消灭，并破坏了机场设施，消除了腹背受敌的隐患。同时率领舰队向西南航行，随时准备攻击来犯的日军舰队，然而直到此时还未查清日军舰队的具体位置。
小泽的舰队到底在哪？小泽吸取中途岛海战的经验教训，从18日起就派出多架侦察机严密搜索，并于下午发现了美军舰队，只是因天色将黑，己方的飞行员多未接受过夜航训练，才没出动飞机，而是命令丙队向东，自己则率甲乙两支编队向南，在美军飞机作战半径之外过夜，等待次日天亮后再出击。19日日出前，小泽就先后派出了战列舰和巡洋舰所携带的44架水上飞机进行侦察，六时四十五分后，就数次接到发现美军舰队的报告，美军舰队在己方前卫300海里外，本队400海里外，他知道日机没有美机的装甲防护和自封油箱，作战半径比美军大100海里，达300海里，现在正是进行超远距离穿梭攻击的大好机会，便下令攻击。
七时二十五分，日军第一攻击波丙队64架飞机在中本道次郎大尉指挥下出击，其中战斗机14架、鱼雷机7架、战斗轰炸机43架。战斗轰炸机是日军因在1943年10月圣克鲁斯海战中，轰炸机几乎损失殆尽，而战斗机则大部平安返回情况下发展起来的，即将战斗机挂载60公斤****，后经过改装，使战斗机可以挂载250公斤****，实施对舰攻击，1943年底开始进行此项训练，至现在已经成为机动舰队的主要攻击手段。
九时，美军通过雷达在150海里外发现日机，米切尔命令甲板上待命的所有飞机起飞，战斗机前去拦截日机，轰炸机和鱼雷机则因为日军舰队在攻击距离之外只得向东规避到安全空域，美军共有250架F6F“恶妇”战斗机起飞迎战，上升到7600米高度由航母上的空中控制官引导接敌，在距航母70海里上空对日机进行居高临下的攻击，一举击落25架，美机仅损失1架。其余日机突破美机拦截攻击了美军的战列舰编队，只有“南达科他”号战列舰被命中一枚****，死27人，伤23人。在美舰密集的高射炮火射击下，又有16架日机被击