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。
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。
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。
小泽于20日晚八时四十六分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。
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。
（四）
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，没有半年十月的时间，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，日军的航母部队就不能称其为有战斗力的部队，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。
日军失利的原因主要有：
一， 对美军的战略进攻方向没有作出正确判断。日军大本营一直都以为美军的战略主攻方向是新几内亚——棉兰老岛，因此将机动舰队置于塔威塔威，就是因为该地距离预计战场较近，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牵制性行动，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，为时已晚。
二， 日军决战没有作好应有的准备。现代海空战的决定性力量是航母及其舰载机，由于日军1943年底至1944年初将大批舰载机调往拉包尔一线，以抗击美军的攻势，结果遭受了严重的损失。联合舰队虽然在事实面前进行了改组，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，但日军战争初期训练有素的飞行员几乎都已在战争中消耗殆尽，现在的飞行员缺乏必要的训练，只完成了基本的陆上科目训练，前出至塔威塔威原打算边进行海上合练边备战，却由于美军潜艇在附近海域活动频繁而无法出海训
练，有将近一个月的时间中断了训练，小泽率领舰队前往吉马拉斯岛就是为舰载机飞行员提供一个适宜训练的场所，结果在航行途中就接到了出征的命令，其战斗力可想而知，决战的前途也可想而知。
三， 日军的“超距攻击”战术超出了飞行员的技术水平。日军飞机不像美机有装甲防护，重量比美机轻，因此作战半径比美机大160公里，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，从纸面上看好象很不错，既可有效打击美军，又能避免美军的攻击。但日军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，何况日军飞行员大都是训练不久的“菜鸟”，如此漫长的航程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？因此途中遇到美机拦截，自然损失大半，即使突破了美机的拦截，对美舰攻击效果也很不理想。由此可见，日军这一战术，根本未达到预期的效果，反倒事与愿违。
四， 日军岸基航空兵没有起到应有的作用。美军航母编队共拥有舰载机近900架，日军航母舰载机仅439架，数量上处于明显劣势，而且性能和飞行员素质都大大不如美军，日军企图借助部署在马里亚纳群岛的500余架岸基飞机，来弥补这一差距，与舰载航空兵协同对美军实施两面夹击。联合舰队甚至要求在航母舰载机出击前，岸基航空兵先对美军组织攻击，消灭美军三分之一的航空力量。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。而美军也早预料到了日军的这一企图，在战役发起之初，就先对马里亚纳群岛岸基航空兵进行了猛烈攻击，一举肃清日军在该地区的航空力量，并对机场跑道和设施造成了严重破坏，此后又多次对岸基航空兵进行了压制性的袭击，使日军新调来的航空兵也遭受了很大损失，协同舰载航空兵作战的企图完全落空，而日军在马里亚纳群岛防空设施非常薄弱，甚至连飞机洞库都没有建成，在遭受了美机轰炸后，机场完全失去了作用，连日军舰载机降落时也遭到很大损失，根本无法再次起飞，“穿梭攻击”的计划也因此落空。
因此战役结束后，小泽曾请求引咎辞职，未获海军军令部长和联合舰队司令批准，平心而论，小泽的指挥并无失当，战役的结局，已经不是他和联合舰队司令所能左右的。
美军虽然取得了海战的胜利，但对斯普鲁恩斯的指挥，颇有些争议，米切尔和一些航母大队的司令，对他拒绝了6月18日西进接敌的请求，意见很大，觉得日军主力舰队近一年来首次出现应战，以美军优势兵力竟然未能将其消灭，让其逃脱。诚然，塞班岛登陆的美军得到了有效的掩护，但以第五十八特混编队这样一支具有极强攻击威力的航母编队，仅仅充当守护者的角色，实在是极大的浪费。但作为战役总指