當第58特混艦隊收回最後一架“獵取火雞”的艦載機時,天色已黑。斯普魯恩斯海軍上將如釋重負,確信日軍艦載機已被擊潰,遭敵側背攻擊的威脅也解除了。於是,他通知米徹爾作好追擊日機動部隊的準備。米徹爾留下哈裏爾的第4航母特混大隊繼續掩護塞班島和封鎖關島,自己則親率其他3個特混大隊徹夜向南偏西航進。由於對日艦隊位置判斷失誤,因此盡管美軍艦隊的航速比小澤艦隊快5節,但是雙方之間的距離並沒有縮短。20日上午派出去的偵察機還是沒有發現逃跑的小澤艦隊,為保障偵察機的起飛和降落,航母不得不數次轉向,迎著東風航進,這也耽誤了追擊日軍的速度。
20日下午4時許,第58特混艦隊終於等來了盼望已久的報告。一架巡邏機發現,日本機動部隊正在第58特混艦隊西北偏西220海裏以20節航速向西退卻。米徹爾陷入了進退兩難之中:若命令艦載機飛這樣遠的距離去實施攻擊,不能保證他們一定能完成任務,況且返航時已是黑夜,飛行員必須在夜暗中著艦,而絕大多數飛行員都沒有受過夜間降落的訓練;但是如果等到第二天天亮,必然要失掉摧毀敵艦隊的最後機會。“飛機起飛!”沉默寡言的米徹爾海軍中將別無選擇了,平素有著慈父般心腸、盡量避免派遣飛行員執行冒險任務的他,果斷地下達了命令。各航空母艦飛行員待機室內鴉雀無聲,飛行員屏住呼吸看著他們的指揮官用6英寸的大字把米徹爾的命令用粉筆寫在黑板上:“攻擊敵航空母艦!”不到10分鍾,三個特混大隊的11艘航空母艦上,84架“惡婦”式戰鬥機、54架“複仇者”式魚雷攻擊機。51架新式SB2C俯衝轟炸機、26架“無畏”式SBD俯衝轟炸機,共215架艦載機騰空而起,直追小澤艦隊而去。
“大和”號戰列艦的大型雷達迅速報告了美軍機群從東方襲來的可怕消息。小澤的主力艦隊加速到24節,不得不扔下了4艘泊船和為它們護航的3艘驅逐艦。日第1特混大隊、第2特混大隊和第3特混大隊最後34架“零”式戰鬥機臨危受命,去迎戰優勢之敵。轟炸機和魚雷機也起飛遠離了艦隊上空,以減少母艦挨炸時的損失。此時太陽已經西沉,正在慢慢接近水平線,再過20分鍾,日本艦隊就能躲藏在黑暗之中。
“首先攻擊日軍航空母艦!”美機群指揮官迫不及待地大聲命令道,迅速擺脫最後幾架“零”式戰鬥機糾纏的美機群在夕陽的餘光下發起了衝鋒。十幾架俯衝轟炸機從3000米高空輪番向“飛鷹”號中型航母俯衝投彈,一顆炸彈在艦橋上方爆炸,炸裂的彈片徹底摧毀了作戰指揮所和防空指揮所,隨後4架“複仇者”魚雷機結隊向其右前方旅回,“飛鷹”號急速躲避並展開猛烈反擊,喬治·布朗海軍中尉的機翼被打飛了,報務員和炮手不得不跳傘逃生,但身負重傷的布朗中尉仍頑強地駕駛著冒著火光的“複仇者”發射魚雷,一舉命中“飛鷹”號右舷機艙,波羅洲原油的揮發性油氣和爆炸性瓦斯立即燃起凶猛的大火,“飛鷹”號不久就艦首朝天,開始下沉,而布朗中尉和他的已經不堪駕駛的座機也沒有回到他的母艦。“瑞鶴”號大型航母、“隼鷹”號中型航母、“千代田”號輕型航母雖然加足馬力閃避逃跑,但仍被擊中數枚炸彈,受到重創。
天很快就黑了下來,損失了20架艦載機的空襲機群在投光炸彈和魚雷後開始返航。一些轟炸機和魚雷機的油量表已經遠遠低於滿載量的一半,幾架損傷嚴重的艦載機首先墜入大海,接著那些不注意節約汽油的飛行員也隨著飛機掉入大海。一個艦載機分隊通過無線電約定,待燃料耗盡後一同降落在海麵上。晚上8時,已一片漆黑,返航的第一批飛機即將臨空,一直全速西進的航空母艦轉而向東迎風航進,準備回收飛機。
返航的飛機在特混艦隊上空盤旋,隻有個別技術嫻熟的飛行員或者運氣極佳的飛行員在黑暗的甲板上順利降落,大多數飛行員則連航空母艦和大型軍艦都辨認不清,有些飛機隻好在茫茫夜海中迫降,有些飛機則喘著粗氣,發動機發出燃油耗盡時那種劈劈啪啪的響聲。米徹爾坐在“列克星敦”號艦空母艦作戰室裏,默默地吸看煙,凝神沉思,假如他解除特混艦隊的燈火管製,可能會暴露目標,受到日軍潛艇和航空兵的襲擊。然而米徹爾更清楚,航空母艦如果失去了艦載機和飛行員,它就不再是銳利的武器,隻能是累贅。大家的眼睛都集中在他們的司令身上,米徹爾轉過身來,堅決地命令他的參謀長阿利·伯克海軍上校:“開燈!”
航空母艦全部打開了紅色桅頂燈,飛行甲板上燈火輝煌,探照燈光柱刺破了夜空,有的軍艦還發射了信號彈,令一些飛行員興奮地感到“好萊塢的彩排、中國的春節和美國獨立紀念日趕到一起了”。飛機被命令可在任何一艘航母上降落。有一名飛行員著急得竟不顧“列克星敦”號發出的等待著航的信號,硬是向艦上降落。結果與剛剛降停的6架飛機相撞。有兩架飛機爭先恐後地在“邦克山”號上降落,造成相互衝撞。甚至有一架飛機把驅逐艦的桅頂燈當作引導員發出的降落信號,幹脆利落地降落在驅逐艦旁邊的海上。22時30分,因著艦損失了80餘架飛機的第58特混艦隊又啟程向黃昏追擊戰的戰場方向駛去,當夜和次日一整天都是沿著飛機返航的航線搜索前進,驅逐艦和水上飛機救起了許多落水飛行員。
美艦為援救飛行員不得不低速航行,而小澤艦隊是全速撤退,經過6月21日一整天的航行,斯普魯恩斯下令第5艦隊停止追擊,向東返航。至此,太平洋戰爭中的最大一場航空母艦大決戰——馬裏亞納大海戰拉上了帷幕,美第58特混艦隊大獲全勝。
盡管戰後對美第58特混艦隊沒有全殲日本航母艦隊,6月18日夜晚斯普魯恩斯為掩護登陸地域沒能西進、抓住搶先攻擊敵航母的戰機等等戰術問題意見不一,但馬裏亞納的大海戰仍不失為一場意義重大、戰果輝煌的大海戰。日航空母艦被擊沉3艘,受傷3艘,艦載機430架隻殘存下70餘架。從此以後,以航空母艦和海軍航空兵為主力的日本海軍不再是太平洋戰場上的勁旅。第58特混艦隊在馬裏亞納大海戰中的巨大勝利,有力地支援了塞班島登陸作戰。同時,這一勝利也減輕了麥克阿瑟的西南太平洋部隊沿新幾內亞-棉蘭老島軸線奪回菲律賓的作戰壓力。