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架日机被击落，日机共损失41架，仅23架得以返回母舰。
八时零五分，日军第二攻击波甲队128架飞机由深川静夫大尉为空中指挥，其中战斗机48架、鱼雷机27架、轰炸机53架。刚起飞，一架轰炸机就发现海面上有六条射向“大凤”号航母的鱼雷航迹，便按下机头将其中一条鱼雷撞毁。
就在日军第二攻击波机群起飞时，美军“大青花鱼”号潜艇突破了日舰的警戒圈，向“大凤”号航母齐射六条鱼雷，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****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，在中雷的六小时后，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”号驱逐舰靠帮接下舰员，再改以“羽黑”号重巡洋舰为旗舰，“大凤”号于十六时二十八分沉没，有1650名舰员随舰葬身大海。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，齐射了六条鱼雷，三条鱼雷直接命中，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，十四时十分沉没，有1271名舰员丧生。而“刺鳍”号随即遭到日军驱逐舰长达三小时的追踪，总共承受了105枚深水****的攻击，“刺鳍”号凭借着灵活的机动，只受了轻伤，摆脱日舰攻击后返回塞班岛。
八时四十分，日军第二攻击波机群经过前卫丙队时，被误为美机遭到射击，损失2架。
十时许，遭到了美机拦截，空战进入****，作战经验丰富的美军飞行员大开杀戒，“埃塞克斯”号航母的战斗机大队长麦坎贝尔中校身先士卒，率队向日机猛冲猛打，一举击落4架；“列克星顿”号航母的弗雷西尔中尉冲入日机机群，在60米的近距连连开火，仅耗弹360发就击落6架日机。美军战斗机如同牧童放羊一般，只要日机企图分散开，就以猛烈火力将其赶回队形，再集中火力射击队形密集的日机，在美机打击下，日机不断中弹坠海，甚至出现同时有十五架飞机起火坠毁的壮观场面，一位美军飞行员在无线电里兴奋地大叫：“这真像古代的猎火鸡啊！”于是，这场激烈的海空大战就以“马里亚纳猎火鸡”而名垂青史！
日机约有20余架拼死突破了美机的拦截，飞临美军舰队上空时，又遭到了美舰的高炮火力射击，由于美军高射炮使用了新式的近炸引信，命中率很高，日机又有十余架被击落，最后只有6架飞机向美舰发动了攻击，“邦克山”号航母被两枚近失弹击伤，死3人，伤73人，升降机和机库供油管道被炸坏，并引起了大火，但被迅速扑灭；“黄蜂”号航母被一枚****击中，死1人，伤12人；还有一架日机被击中后擦着李海军中将的旗舰“印第安纳”号战列舰的右舷坠入海中，使战列舰负了轻伤。日军这一攻击波，共损失飞机97架，其中轰炸机40架，鱼雷机24架和战斗机33架，另有2架轰炸机在返航途中因伤势过重而坠海，返回母舰的仅29架。
九时，日军第三攻击波乙队49架飞机，其中战斗轰炸机25架、战斗机17架、鱼雷机7架，由石见丈三少佐担任空中指挥。起飞后，有16架战斗轰炸机和4架战斗机与大队失散，便自成一队向目标海域飞去，一直飞出350海里也未找到美舰，于十四时返回母舰。石见率领的其余飞机在途中接到母舰通报美军舰队新位置，但飞抵新位置后没有发现，就再转向旧目标位置，结果与美军约40架战斗机遭遇，双方随即展开空战，日军有5架战斗轰炸机、1架鱼雷机和1架战斗机被击落，并失去了攻击美军舰队的战机，只得返回母舰。
上述三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。十时十五分，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，几乎没有一架不受伤，因而无法再次起飞参战。十时二十
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。十时三十分，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****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。
日军在这四次攻击中，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，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日十二时再改以“瑞鹤”号航母为旗舰。
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，击沉了日军两艘三万吨级的大型航母。日军组织了四次对美军舰队的攻击，出动飞机286架次，损失192架，却只击伤美军2艘航母和2艘战列舰。美军仅损失战斗机23架。
美军挫败了日军的四次攻击，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，除留下第四大队在塞班岛海域负责压制关岛和罗塔岛日军航空基地，亲率其余三个大队彻夜西进，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，下午十六时许，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！十六时二十分，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，在十分钟里就有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，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。
十七时三十分，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。
小泽早在十六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，同时三个编队相互靠拢，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”