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马里亚纳海战也被称为菲律宾海海战（BattleofthePhilippineSea），是发生在第二次世界大战中太平洋战场日本帝国海军与美国海军之间在马里亚纳群岛附近的一次海战。是历史上最大的航空母舰决战。由于战斗中日军飞机被美军战斗机轻易击落，被美国人戏称为「马里亚纳猎火鸡大赛」（TheGreatMarianasTurkeyShoot）。
1942年下半年到1943年上半年，盟军瓜达尔卡纳尔岛战役的胜利，夺得太平洋战场主动权，美国太平洋舰队总司令切斯特·威廉·尼米兹海军上将在中太平洋展开攻势，道格拉斯·麦克阿瑟陆军上将自澳大利亚向印度尼西亚、菲律宾发动跳岛作战，1944年上半年两条战线都已迅速接近日本，势不可挡。
为了进一步削弱日本的工业潜力，盟军需要占领地位重要、正在日本“绝对国防圈”上的马里亚纳群岛做为B-29远程轰炸机基地，尼米兹派出中途岛战役的英雄雷蒙德·斯普鲁恩斯海军上将执行攻占马里亚纳群岛的任务，其率领的第五舰队拥有15艘航空母舰，1944年6月15日在塞班岛成功登陆，由于进展顺利，斯普鲁恩斯原订18日攻占关岛。
日本总部也意识到美军的企图，丰田副武接替殉职的古贺峰一成为日本联合舰队总司令后，于1944年5月20日发起“阿”号作战（あ号作戦），希望在美军攻击马里纳之际，由小泽治三郎中将带领的9艘航空母舰组成的机动部队可以对美军第五舰队进行致命打击。
战役结果日军损失三艘航空母舰、600架飞机，又无法援救马里亚纳的日本守军而遭到惨败。
1944年上半年，麦克阿瑟部队以跳岛战术向菲律宾群岛推进，尼米兹的太平洋舰队也在跳越日军中太平洋最大基地特鲁克环礁后占领帛琉群岛，被夹击的日本于是加强在马里亚纳群岛的防务，欲使其成为最重要的“绝对国防圈”以阻击盟军的攻势，为日本本土争取时间。
盟军也将注意力放在马里亚纳群岛上，一旦占领马里亚纳，大型远程轰炸机B-29就可将日本本土纳入其作战半径，尤其是东京所在的关东地区，如此便可打击日本工业及军民士气。在当时，B-29只能藉助中国大陆的机场从大陆对九州岛空袭而未能进一步攻击日本工业核心。
为夺取该群岛，盟军中太平洋战区兼美国太平洋舰队总司令尼米兹指派中途岛战役时表现优异的雷蒙德·阿姆斯·斯普鲁恩斯（RaymondAmesSpruance，时任海军中将）指挥第五舰队负责掩护登陆马里亚那的部队并担任战役总指挥，登陆部队则由第51特遣舰队司令里奇蒙德·凯利·特纳（RichmondKellyTurner）海军中将指挥，在6月中旬进入马里亚那海域，对附近机场、港口的飞机和船只进行封锁及压制，并准备进攻塞班岛，以夺取空军基地。
另一方面，日本海军刚领悟航空母舰在海战中不可取代的强大地位，在1944年上半终于首次将航空母舰的编制列在战舰之上，但此措施已经落后美国两年半，使得在接下来的海战中日军航空母舰编队的作战能力远不如美国。在美军进攻塞班岛之际即派出刚整编完成的舰队主力—由小泽治三郎指挥的第一机动舰队去迎战美军第五舰队。
同时日军也在马里亚那部署数百架战机，由第一航空舰队司令角田觉治中将指挥，但在盟军第五舰队到来后便失去大半实力。海战之中更是毫无用处，只能任由盟军歼灭。
当日军察觉美军夺占马里亚那的企图，原本为抵挡麦克阿瑟战线而发动的“浑”作战被迫中止，作战舰艇往北支持小泽，转而发动日本帝国大本营苦心策划的“阿”号作战——以岸基飞机与航空母舰机动舰队挑起海上大决战，以一口气打败盟军主力舰队来扭转劣势。
马里亚纳群岛，是个南北走向，绵延长达425海里的火山群岛，由大小近百个岛屿组成，较大的火山岛有十六个，自北向南主要有第二大岛塞班岛，第三大岛提尼安岛，罗塔岛和最大岛屿关岛，著名的葡萄牙航海家麦哲伦于1521年发现该群岛，以当地土著人使用的船只命名为三角帆之岛，1565年起成为西班牙的属地，为纪念西班牙国王腓力四世的马里亚纳王后，才称为马里亚纳群岛。
1898年美西战争中，美国占领了关岛，此时的西班牙国力已经衰弱，便决定以400万美元的价格出售马里亚纳群岛的其余岛屿，加罗林群岛和马绍尔群岛，美国认为这些岛屿值不了400万美元，没有买，结果被德国买去。第一次世界大战中，日本以委任统治地的名义将这些岛屿尽数据为己有。并于太平洋战争爆发后的第三天，即1941年12月10日占领关岛。
马里亚纳群岛战略地位极其重要，位于琉球，台湾和菲律宾以东，硫黄列岛以南，加罗林群岛以北，正扼中太平洋航道的咽喉，亚洲与美洲的海上交通要冲，是美军进攻日本本土和远东的必经之路。如果马里亚纳群岛被美军占领，日本本土与东南亚的海上生命线就将被切断，台湾和菲律宾也将处在美军直接打击范围下，更严重的是从马里亚纳起飞的美军B29轰炸机可以将日本本土纳入其轰炸半径，正因为马里亚纳群岛如此至关重要，就被日军誉为"太平洋的防波堤"，而美军所实施的马里亚纳登陆战役也就被称作破堤之战！
日本海军联合舰队在1944年1月开始的马绍尔群岛战役中，不但没能出海迎战，反而退至帛琉群岛，直接导致了马绍尔群岛于4月失守，这引起了日本内阁和陆军对海军的强烈不信任，甚至有些人提出放弃马里亚纳群岛。
但日本大本营非常清楚马里亚纳的重要性，决定沿千岛群岛，小笠原群岛，马里亚纳群岛，加罗林群岛和新几内亚岛西部建立必须绝对予以确保的防线——绝对国防圈，马里亚纳则是该防线的核心。因此，日军自1944年2月起，开始着手加强该地区的防御，由于以前马里亚纳群岛是海军负责防御，岛上的陆军部队很有限，大本营计划将中国战场上的第三和第十三师团调往中太平洋，以加强该地区的地面部队，但这两个师团在中国战场上一时无法脱身，大本营只好于2月10日将驻中国东北的关东军第二十九师团调到马里亚纳，陆军部还将新组建的八个支队也调到该地区。2月25日，日军大本营将中太平洋地区所有陆军部队整编为第三十一军，由小畑英良中将任军长，规定该军服从于联合舰队司令的调遣。从3月起，日军进一步动员大批船只向该地区调集部队，至5月下旬，三十一军已拥有五个师团又八个旅团，分别防守马里亚纳，特鲁克，小笠原和帛琉等岛屿。其中部署在马里亚纳群岛的是两个师团又两个旅团，约六万余人。防御工事计划要到11月方能完成，此时才完成工程量的一半，火炮掩体几乎没有，地雷和铁丝网也没铺设，总体防御根本谈不上坚固。
斯普鲁恩斯的第五舰队与特纳的联合远征军部队在进入该海域时即有效压制日军的航空兵力，1944年6月13日斯普鲁恩斯虽然自潜艇部队收到获得日本舰队出动的情报，由于斯普鲁恩斯推断在17日前都不会与日本舰队接触，因此斯普鲁恩斯仍在14日指挥第五舰队主力第58特遣舰队其中的第1与第4支队前去攻击硫磺岛与小笠原群岛的父岛，把北面的敌军战机清除殆尽。
15日美军在联合远征军部队司令特纳指挥下顺利登陆塞班岛，原本认为日军无力增援的斯普鲁恩斯发出18日登陆关岛的命令，不料同日18时35分，美国潜舰飞鱼号（USSFlyingFishSS-229）在圣贝纳迪诺海峡发现一支日本舰队；19时45分，另一艘美国潜舰海马号（USSSeahorseSS-304）在菲律宾苏里高海峡北部岷答那娥附近也发现另一支日本舰队；17日夜里，又一艘美国潜舰传来接触报告。
依此大量的接触情报来看，斯普鲁恩斯确认日军支持马里亚纳的企图，由于双方舰队18日时即可能接触，于是斯普鲁恩斯推迟登陆关岛的时程，17日召回刚毁灭硫磺岛及父岛航空兵力的第1与第4支队，并从特纳的联合远征军舰队抽出8艘巡洋舰、21艘驱逐舰来强化第58特遣舰队的军力，联合远征军的登陆舰队则先开往东方海域避风头，第58特遣舰队则准备与日舰队接战。潜艇的大量接触情报使斯普鲁恩斯以为日本至少动用两支舰队，一支先诱开第58特遣舰队，另一支趁机攻击塞班岛的美军登陆部队。于是斯普鲁恩斯下令确切掌握日本舰队位置之前，第58特遣舰队不得远离塞班岛。一般认为此决定过于保守，使得该海战美军无法给予日军更大的打击。
18日中午，第58特遣舰队集结完毕，斯普鲁恩斯移交战役指挥权给第58特遣舰队指挥官马克·米切尔（MarcMitscher，时任中将），随后其全部五个特遣群共十五艘航空母舰摆开阵势，其中以七艘战斗舰（其中有两艘美军最先进的依阿华级战列舰）为主的第7支队摆在日本舰队与四个航舰特遣群之间，以防日本水面舰队接近美国航空母舰（有人认为这是给落居海战配角的战舰舰队一次战列决战的机会），除掩护第7支队的第4支队航空母舰外，其余第1、2、3支队皆部署在战舰舰队后方展开，挡在塞班岛西侧，随时迎接日军攻击到来。
15日晚上6时被美国潜舰飞鱼号于圣贝纳迪诺海峡发现的就是日本舰队主力——第一机动舰队（由小泽指挥），而15日晚上7时在岷答那娥被美国潜舰海马号发现的另一支日本舰队就是先前参与“浑”作战计划的第一机动舰队另一部分兵力，他们在接获“阿”作战计划命令后立刻终止“浑”作战，赶赴北方与小泽会合。第一机动舰队（以下称小泽舰队）其中共有九艘航空母舰，搭载四百余架飞机，舰队还有五艘战舰（包括两艘世界最大的大和级战列舰），分为由小泽亲自率领的甲队、城岛高次海军少将的乙队，以及在往后雷伊泰湾海战中因带领主力舰队的栗田健男中将所率领的前卫舰队。
小泽并未如同斯普鲁恩斯所设想采取分兵合击策略，而是打算利用日本在关岛、罗塔岛等地设有航空基地的地利之便，将舰队部署在美国舰载机打击半径以外，同时日本舰载机起飞攻击美舰队，在穿越美军舰队后，飞行至罗塔岛与关岛等地降落加油挂弹准备下一波攻击，实施所谓的“穿梭轰炸”。如此就能大大延长日本舰载机的打击范围，而美国舰队则无法攻击日本舰队。同时，小泽也寄望角田的岸基飞机助他一臂之力，抵销美国舰载机的数量优势，可是马里亚那群岛的日本守军指挥齐藤义次隐瞒美国舰载机已重创角田航空队的事实，而未告知小泽真实情形，使其无法掌握其与美方的实力对比。
随着小泽舰队进入菲律宾海，双方舰队发觉彼此的存在后，这场史上最大的航空母舰战役与舰载机空战，即将拉开序幕。
第五舰队总司令：雷蒙德·斯普鲁恩斯海军中将旗舰：印第安纳波利斯号重型巡洋舰（CA-35）下辖第51特遣舰队（TF-51）、第58特遣舰队（TF-58）
·第58特遣舰队总司令：马克·米切尔海军中将旗舰：列克星敦号航空母舰（USSLexington,CV-16）
o第1支队：克拉克海军少将（RearAdm.JosephJ.Clark）指挥
辖大型航空母舰大黄蜂号（USSHornet,CV-12）（旗舰）、约克城号（USSYorktown,CV-10），轻型航舰贝露森林号（USSBelleauWood,CVL-24）、巴丹号（USSBataab,CVL-29），3艘重巡洋舰、1艘轻巡洋舰、14艘驱逐舰。
o第2支队：蒙戈马利海军少将（RearAdm.AlfredE.Montgomery）指挥
辖大型航舰邦克山号航空母舰（USSBunkerHill,CV-17）（旗舰）、黄蜂号（USSWasp,CV-18），轻型航空母舰蒙特利号（USSMontery,CVL-26）、卡波特号（USSCabot,CVL-28），3艘轻巡洋舰、12艘驱逐舰。
o第3支队：瑞佛斯海军少将（RearAdm.JohnW.Reeves）指挥
辖大型航空母舰企业号（USSEnterprise,CV-6）（旗舰）、列克星敦号（USSLexington,CV-16），轻型航空母舰普林斯顿号（USSPrinceton,CVL-23）、圣贾辛托号轻型航空母舰（USSSanJacintoCVL-30），4艘轻巡洋舰、13艘驱逐舰
o第4支队：赫利尔海军少将（RearAdm.WillianK.Harill）指挥
下辖大型航空母舰埃塞克斯号（USSEssex,CV-9）（旗舰），轻型航空母舰兰利号（USSLangleyCVL-27）、考本斯号（USSCowpensCVL-25），4艘轻巡洋舰、14艘驱逐舰。
o第7支队：韦尔斯·李海军中将指挥
下辖战列舰华盛顿号（USSWashington,BB-56）（旗舰）、北卡罗来纳号（USSNorthCarolina,BB-55）、依阿华号（USSIowa,BB-61）、新泽西号（USSNewJersey,BB-62）、南达科他号（USSSouthDakota,BB-57）、阿拉巴马号（USSAlabama,BB-60）、印第安纳号（USSIndiana,BB-58），4艘重巡洋舰、14艘驱逐舰。
第58特遣舰队配署427架F6F-3地狱猫战机427架，SBD-3/5无畏式俯冲轰炸机59架，SB2C/1C地狱俯冲者式（Helldivers）俯冲轰炸机174架，TBF/TBM-1C鱼雷机189架，24架F6F-3N夜间战斗机24架，3架F-4U海盗式战斗机3架，共894架。
·第51特遣舰队总司令：里奇蒙德·凯利·特纳海军中将旗舰：落基山号指挥舰（USSRockyMount,AGC-3）
第三舰队第一机动舰队（中大型航空母舰5艘、小型航空母舰4艘零式战机225架、彗星轰炸机99架、九九式轰炸机27架、天山式鱼雷机108架、九七式舰载攻击机、二式舰载侦察机等，共498架）
司令长官：小泽治三郎中将
甲部队小泽治三郎中将
·第一航空战队（小泽中将直率）航空母舰：大凤、翔鹤、瑞鹤
o第五战队重巡洋舰：妙高、羽黑
o第十战队轻巡洋舰：能代、驱逐舰8艘
乙部队城岛高次少将
·第二航空战队航空母舰：隼鹰、飞鹰小型航空母舰：龙凤
战列舰：长门、重巡洋舰：最上、驱逐舰7艘
前卫（第二舰队）栗田健男中将
·第一战队（宇垣缠中将）战列舰：大和、武藏
o第三战队（铃木义尾中将）战列舰：金刚、榛名
o第三航空战队小型航空母舰：瑞凤、千岁、千代田
o第四战队（栗田中将直率）重巡洋舰：爱宕、高雄、鸟海、摩耶
o第七战队重巡洋舰：熊野、铃谷、利根、筑摩
o第二水雷战队轻巡洋舰：矢矧、驱逐舰7艘
o第一航空舰队第五基地航空部队角田觉治中将
从中途岛的经验看来，对已知或未知的敌人舰队展开搜索，从而得知敌舰队位置、动向是必要的，因此小泽舰队1944年6月18日即派出42架侦察机出动搜索并加上马里亚那方面的情报，在与第五舰队保持距离的同时仍获得充分的情报。
同日夜间，第58特遣舰队指挥官米切尔力主连夜西进，发现日本舰队后就全力将其消灭，并同时与第58特遣舰队第7支队司令威利斯·李（WillisAugustusLee,Jr，时任海军中将）讨论连夜进击与日本展开夜战的可能，但斯普鲁恩斯仍一如以往谨慎，不以歼灭日本舰队而以掩护赛班为重，下令第58特遣舰队白天西进，晚上便东撤，不得离开能支持塞班的距离，采取保守防御的态度（而非像其在中途岛时冒险发出关键一击），使美国飞行员大失所望。
6月19日凌晨4时20分，小泽再度派出43架侦察机，清楚掌握美国舰队动向。此时斯普鲁恩斯仍不清楚小泽舰队位置，小泽则不但知道美军在哪里，也晓得美军已经进入日机攻击半径，但本身则还未进入美机打击范围。既然斯普鲁恩斯未能掌握小泽舰队位置，就先命令米切尔消灭在马里亚那已知的敌机力量，与小泽决战之前先解决这方面的敌人。该日早晨第五舰队已击垮了马里亚那的日本航空兵力，并开启当日11小时激烈空战的序幕，同时对关岛与罗塔岛的日军飞机压制，之后小泽舰队的飞机即使成功穿越美军舰队前往马里亚那，也会在降落时被美机重创。不过即使美军要先对付马里亚那方面，但航空母舰飞行甲板仍保留足够飞机随时应付小泽的进攻。
从19日上午正当第五舰队不断搜寻小泽舰队行踪之际，小泽已于8:30派出栗田前卫舰队的飞机共69架发动第一波攻击，8:56从主力的甲队派出最大的一波攻势共128架作为第二波，10:00自乙队派出47架飞机作第三波，11:00又从甲乙两队发出82架飞机作为当日上午最后一波，四波共326架，企图以大量的战机一举击破米切尔的空中防御。
19日9:50，第一波日机被美军战舰雷达发现，米切尔于10分钟内出动240架飞机（此快速动员舰载机记录未破），双方原本在遭遇时，美军飞机应还无法爬升至日机高度，也就是说，这些美军飞机得眼睁睁看着日机从其上方呼啸而过却无法拦截，但日机却浪费宝贵的10分钟对机群重新调整，使美军有时间迅速爬升至与日机相同的高度，并以监听日机指挥官指令改变拦截战术，接下来，以F6F地狱猫式战斗机为主的美机对已显得落后的日本飞机进行拦截，日机主力零式战斗机太平洋战争初期所向披靡，但此时已不是美国地狱猫式战斗机的对手，飞机数量、质量及自中途岛战役后逐渐拉大的双方飞行员素质，使日机完全无法应付美机的攻击，只能对前方的美军战舰群进攻。
但美军使用新型防空炮弹—装有近炸引信的炮弹，此种炮弹可以侦测飞机是否进入其爆炸杀伤范围，一旦进入其爆炸杀伤范围即会引爆，效率为传统防空炮弹数倍，太平洋战争后期有一半高炮击落的飞机是因为使用VT引信炮弹的缘故，在来年日本发动神风自杀攻击时发挥关键作用，使得日机攻击美舰的难度加大。在美国战机与美舰强大防空火炮之拦截下，日本第一波攻击机群损失42架，仅3、4架飞到第7支队上空并命中南达科他号一枚炸弹，没有一架飞到美国航母上空。
日机第二攻击波再度被美国战机拦截
11时39分，规模最大的日机第二攻击波再度被美国战机拦截，美国F6F战机围着技术欠佳、性能落伍的日机穷追猛打，演变成空中大屠杀，至少70架日机在这波拦截中被击落，同时美军以当时其中一名飞行员的兴奋之语：“这多像古代猎杀火鸡的战场啊！”将当日的空战命名为马利亚那猎火鸡大赛（TheGreatMarianasTurkeyShoot）。
20架日机突破重围，14架接着又被第7支队的防空炮火击落，一架天山式鱼雷机撞在战列舰印第安纳号水线附近，但鱼雷未爆炸；另有6架彗星式俯冲轰炸机在正午时对第2支队展开攻击，一枚炸弹在黄蜂号上空爆炸，两枚炸弹在邦克山号近处海中爆炸，两舰受损轻微。第3支队遭受几架鱼雷机攻击，企业号躲掉一枚鱼雷，其它飞机则被美国防空炮火打退。总计第二波日机128架共折损97架，另外侥幸逃生的31架则返回小泽舰队，而美军却几乎未受损失。
虽然第58特遣舰队的舰载机取得对日本舰载机的压倒性胜利，可是始终未能发现小泽舰队并给予打击，当第58特遣舰队面对小泽舰队攻击而未能反击之际，美军的潜艇部队扮演身为水下杀手的关键角色。正当19日8时美日舰载机还未遭遇前，潜艇大青花鱼号（USSAlbacoreSS-218）潜航时发现了小泽舰队的甲队，盯上日军阵中最大的大凤号航空母舰。上午9时大青花鱼号正要对大凤号发射鱼雷时，却被日军水面舰艇发现而被攻击，又加上潜艇瞄准镜故障，其只能盲目送出6枚鱼雷同时下潜逃离。一名日军飞行员不顾性命用自己与飞机挡下其中一枚鱼雷，有一枚仍幸运的击中大凤号，由于该舰装甲雄厚，特别注重防御能力，因此一时并未造成很大的影响，但毕竟这艘航空母舰是针对太平洋战争初期美军颇强的俯冲轰炸攻击而进行防护设计，水线下的舰身对鱼雷防护不足，这个隐忧会在之后显现出来。
中午时分，美军有名的棘鳍号潜艇（USSCavallaSS-244），同样闯入了小泽舰队的甲队舰群中，当时翔鹤号航空母舰因为正进行收回飞机的作业，无法机动规避鱼雷攻击，棘鳍号发射的6枚鱼雷至少有3枚命中翔鹤号，使翔鹤号立时失去战力，并在当日14:32分沉没。
而先前遭鱼雷命中的另一艘航空母舰大凤，油气自管内外泄，弥漫了整个航空母舰的舰体，下午三时因为油气浓度过高，加上舰内人员不慎引起火花，使舰内燃起大火，同时引爆了弹药库，使大凤号腹部接二连三发生大爆炸，使小泽不得不放弃自己的旗舰大凤号，移乘重巡洋舰羽黑离开，但其通讯设施远不足以担任旗舰的重要位置。同时由于移乘造成的混乱，小泽并未得知其飞行员悲惨的下场，还因为日军飞行员那自欺欺人的谎报，以为美国舰队受到严重打击。同日18:28分，大凤号也随翔鹤号沉没在菲律宾海。
正当小泽损失自己的两艘大型航空母舰时，日本舰载机还正飞向马里亚那去攻击美军，日方第三波机群47架并未顺利找到目标，在返航途中于12时55分与第7支队接触，还有一些曾飞到第4支队上空，但都没有任何战果，共7架日机被击落，是当天日机攻势中损失最少、战果也最小的一波。
第四波攻击机群于14时飞抵预定海面，也没发现美舰，便分成三路。第一路12架飞往罗塔岛途中发现第2支队，其中6架被F-6F击落，剩余6架投下至近弹击中胡蜂号与邦克山号，再度对其造成轻微损伤。另18架来自瑞鹤的机群也被美机攻击，损失9架。49架日机抛弃炸弹飞往关岛，被第58特遣舰队发现，便派出27架F-6F加以拦截。美机在日本降落时发动突击，30架日机被击落，其余19架落地后也遭到严重破坏而报销。总计第四波82架最后仅9架能升空再战。
19日当天战斗结束时，战役结果已大致分晓。小泽舰队被美国潜舰击沉两艘大型航空母舰，派出的326架舰载机中仅130架返回日本航空母舰，加上角田在关岛折损的50架及随大凤、翔鹤沉没的飞机，日本总损失315架。美方取得史上最大舰载机空战的压倒性胜利，空战中仅仅损失23架，6架飞机在操作意外中损毁，此外仅有两艘航舰、两艘战斗舰受到轻微损伤。
原本美军第58特遣舰队19日白天不断派出侦察机，欲寻找日本舰队并歼灭之，但在小泽舰队的战术使用下而未成功探查到日舰的踪影。同日15时，鉴于日本“分兵合击”的顾虑逐渐消除，斯普鲁恩斯终于准许米切尔第二天朝日本舰队前进。鉴于飞行员已在白天的空战中消耗不少体力，米切尔并未在夜间派出侦察机，20日上午一面西进一面派机侦察，仍一无所获。因为19日夜间小泽舰队转往西北，暂时避开跟第58特遣舰队的接触并进行加油，小泽意图第二日再度派出其剩余百余架的舰载机，同时计划联合已飞往马里亚那加油添弹的舰载机一同袭击美舰（但大部分飞往马里亚那的舰载机已被击落）。
20日上午，小泽再移乘其所在的甲队唯一剩余的航空母舰瑞鹤号，此时由于通讯改善，下午1时小泽终于得知前一天空战的结果，由于大量舰载机损失，小泽仅剩百余架飞机可以出击，即使如此小泽仍打算协同陆基航空队对美军再进行一次打击，小泽正决断之时，前卫舰队司令栗田自旗舰爱宕号重巡洋舰向小泽通报：美第58特遣舰队向己方逼近，距离已不到300海里。
20日15:40分面，企业号的一架侦察机发现小泽舰队，自海战展开30个小时以来，第五舰队终于首度发现一直躲藏在侦察距离外的敌舰队。可时机却极为尴尬，因为双方舰队距离275海里，第58特遣舰队若发动进攻则将使其舰载机面临危险的夜间降落。米切尔虽然左右为难，但为免坐失战机，依旧发下唯一有可能的指令：出击！16:21分第58特遣舰队第1、2、3支队（除掩护第7支队战斗舰的第4支队外）派出216架飞机进攻，启动这场海战中第五舰队唯一一次的攻势。16:15分日军方面也发现美舰队，17点25分甲队唯一的航空母舰瑞鹤出动7架鱼雷机去攻击，前卫部队的栗田中将也因为收到夜战命令而向东进。但美军飞机已先赶到日舰上空，开始攻击日舰。
被美机发现后，小泽下令舰队向西北各自高速逃脱，并抛弃补给舰队。18:40分，美机抵达补给舰队上空，重创两艘油轮，两舰后来都被迫自沉。随后一心想寻找日本航空母舰的美机群飞到日本舰队上空，日落前展开匆忙的攻击。轻型航空母舰飞鹰号被一枚鱼雷击中，引发大火，2小时后沉没，而航母隼鹰、龙凤、千代田、瑞鹤、战舰伊势、重巡摩耶都被炸弹击伤，其中小泽的旗舰瑞鹤伤势较重。日本在这波攻击中又损失65架飞机，美国则损失20架。由于小泽下令各舰自行运动及美国舰载机攻击过于匆忙，因此这波攻击成果并不特别出色。
20时45分，大批燃料即将耗尽的美机在夜色中回到舰队上空。虽然米切尔下令整个舰队不惜冒着被日军潜艇攻击的危险打开照明灯，航空母舰以探照灯直射天空，驱逐舰也发射照明弹。但由于各机油料殆尽，加上200架飞机同时联络舰队所造成的通讯混乱，许多飞行员无视于降落信号灯官的指令争先恐后地扑向甲板，导致许多混乱与意外。在此回夜间降落中，美机损失80架。讽刺的是，联合舰队的全力攻击只使敌手损失40架飞机，竟不及夜间降落对美军造成的损失。
由于驱逐舰彻夜搜索因为油料用尽而坠海的飞行员，因此仅49名飞行员在夜间降落中丧命（仍比日本舰队攻击与空战的损失的27人多）。搜救行动造成的混乱使第58特遣舰队几乎停止反潜作业，幸亏舰队未受日军潜艇攻击，却又再耽搁宝贵的2小时。19点40分左右，联合舰队长官丰田副武大将向小泽发布脱离与美军接触的命令，小泽便中止“阿”号作战撤退了。第58特遣舰队追击无法成功，海战因此结束了。
美国第五舰队第58特遣舰队在这场海战中重创日本海军主力第一机动舰队，一举夺得西太平洋的制海权同时巩固在塞班建立起的阵地，美军仅付出76人阵亡、损失123架飞机、四艘军舰轻伤的极小代价，给予敌人三艘航空母舰、两艘油轮及600架飞机的巨大伤害。战役中，日军航空母舰3艘、油舰2艘被击沉，航空母舰4艘以及战列舰、巡洋舰、油船各1艘被击伤，损失飞机395架；美军航空母舰2艘、战列舰2艘、巡洋舰1艘受轻伤，损失舰载机126架。
虽然无法再给予敌人更大的伤害，仍是一场决定性的大海战，使日本航空母舰部队无力再与美军抗衡，只能在4个月后菲律宾莱特湾海战中成为诱饵，悲惨的被全数歼灭。以后马里亚纳完全被美军控制，如同两周前盟军诺曼底登陆突破纳粹德国的大西洋壁垒一般，日本“绝对国防圈”惨遭突破，美国陆军航空兵（1947年改为美国空军）的大型远程战略轰炸机B-29得以进驻，日本最大的梦魇——美军轰炸机投下大量燃烧弹摧毁整座城市的可怕情景将深深烙印在他们心中。
