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上午10時，美軍雷達發現日機從西面飛來，距離美軍艦隊150海里。這群飛機是日本機動艦隊派出的第一波突擊機群，編有45架俯衝轟炸機、8架魚雷機和16架&ldo;零式&rdo;戰鬥機。第58特混艦隊向日艦方向連續航進20分鐘，轉向迎風航行，使全部450架戰鬥機升空。接著，米切爾命令所有的俯衝轟炸機和魚雷機起飛。美軍大部分轟炸機轟炸了關島機場，使日本機動艦隊不能利用該機場實施&ldo;穿梭&rdo;轟炸。
當日軍第一波突擊機群在離第58特混艦隊70海里空域時，與美機群相遇。美軍利用效能優良的電波指示器，居高臨下地對缺乏訓練的日機編隊進行突襲，一舉擊落日機25架。一位美飛行員說：&ldo;日本飛機像樹葉一樣地往下落。&rdo;
那些僥倖未被擊落的日機，武士道精神大發作，兇猛地撲向美航空母艦，但遭到了高炮的猛烈轟擊。僅有1架日機擊中了&l;南達科他&rdo;號戰列艦，炸死美軍27人。
11時30分左右，小澤從其主力中派出128架飛機組成規模更大的第二攻擊波。日美空戰又掀高潮。日機在飛出50海里之後，遭到美&ldo;惡婦&rdo;式戰鬥機群的截擊，飛機損失近半。有20餘架日機突防成功，有2架轟炸機投下的炸彈落在&ldo;邦克山&rdo;號航空母艦近旁，引起了大火。另有1架日機撞到李海軍中將的旗艦&ldo;印第安納&rdo;號的艦舷上。
第三攻擊波的47架日機，在預定的目標區內沒有發現美艦，大多數飛機不戰而歸，其餘約20架日機在尋找美航空母艦的途中與兩艘美戰列艦遭遇，7架被擊落，其餘倉皇回逃。
這次作戰歷時8個小時，日本海軍航空兵損失慘重，美國飛行員把這次痛快淋漓的海上空戰比作是&ldo;獵取馬裡亞納火雞&rdo;。
當天晚上，尼米茲和他的參謀部還收到了潛艇部隊轉發的令人振奮的訊息：當空戰正酣時，&ldo;大青花魚&rdo;號潛艇和&ldo;棘鰭&rdo;號潛艇悄悄穿越日主力艦隊警戒薄弱之處，分別襲擊了日旗艦&ldo;大鳳&rdo;號和久經疆場的&ldo;翔鶴&rdo;號航空母艦。襲擊後兩個半小時，這兩艘航空母艦因發生劇爆而沉沒，日艦員傷亡慘重。小澤及其參謀們倉皇轉移到&ldo;瑞鶴&rdo;號航空母艦之上。
小澤命令所有艦隻撤出戰鬥，駛向西北，準備補給燃料後再尋機報仇。米切爾留下一個航空母艦特混大隊封鎖關島和羅塔島，自己率其他幾個特混大隊沏夜向南航進。20日16時許，米切爾終於等來了盼望已久的報告。偵察機發現，日本艦隊正在第58待混艦隊西北偏西220海里處向西航行。米切爾果斷地下達了&ldo;全部飛機出擊&rdo;的命令。
日落前，美飛行員炸毀了&ldo;千代田&rdo;號和&ldo;瑞鶴&rdo;號航空母艦的飛行甲板，並使之起火。數架&ldo;復仇者&rdo;式魚雷機在低空成功地發射了魚雷，炸沉日軍&ldo;飛鷹&rdo;號航空母艦和2艘油船，炸壞1艘戰列艦和1艘巡洋艦。戰鬥結束時，日軍機動艦隊的艦載機只剩下35架。
馬裡亞納海戰不失為一場意義重大、戰果輝煌的戰役，經此一戰，美海軍掌握了馬裡亞納的制海權和制空權，為美軍最終戰勝日軍奠定了良好的基礎。
然而，有關斯普魯恩斯指揮失當的議論仍時有發生，尼米茲出面作了大量調解工作，但效果並不明顯。直至金上將公開表態支援斯普魯恩斯的決定，這場風波才漸漸平息。
一波剛平，一波又起。事件的起因是，海軍陸戰隊的霍蘭&iddot;史密斯將軍撤換了作戰不利的陸軍第27
