1944年初，節節勝利的美軍，急於為B29轟炸機尋找一個理想的中級機場，以便向日本本土進攻，位於日本週邊防衛圈的馬利安納群島正是一個絕佳的地點。盟軍投入航空母艦15艘，各種巡洋艦、驅逐艦近百艘，戰鬥機894架。馬利安納群島對日本極其重要，日軍拼死一搏，投入航母9艘，各種輕重巡洋艦、驅逐艦幾十艘，戰鬥機498架。雙方不期而遇，展開了太平洋上規模最大的航母戰絞殺戰。美國以123架戰鬥機損失，4艘巡洋艦沉沒，部分巡洋艦輕創的代價，擊落日本戰鬥機600餘架，擊沉航母3艘，重創多艘巡洋艦。最終，日軍失敗收場。
馬里亞納海戰標誌著日本的絕對國防圈已經不復存在，東條英機在此期間倒臺。
從中途島的經驗看來，對已知或未知的敵人艦隊展開蒐索，從而得知敵艦隊位置、動向是必要的，囙此小澤艦隊18日即派出42架偵察機出動蒐索並加上馬里亞那方面的情報，在與第五艦隊保持距離的同時仍獲得充分的情報。
同日夜間，第58特遣艦隊指揮官米契爾力主連夜西進，發現日本艦隊後就全力將其消滅，並同時與第58特遣艦隊第7支隊司令威利斯·李（WillisAugustusLee，Jr，時任海軍中將）討論連夜進擊與日本展開夜戰的可能，但斯普魯恩斯仍一如以往謹慎，不以殲滅日本艦隊而以掩護賽班為重，下令第58特遣艦隊白天西進，晚上便東撤，不得離開能支持塞班的距離，採取保守防禦的態度（而非像其在中途島時冒險發出關鍵一擊），使美國飛行員大失所望。
19日淩晨4時20分，小澤再度派出43架偵察機，清楚掌握美國艦隊動向。此時斯普魯恩斯仍不清楚小澤艦隊位置，小澤則不但知道美軍在哪裡，也曉得美軍已經進入日機攻擊半徑，但本身則還未進入美機打擊範圍。既然斯普魯恩斯未能掌握小澤艦隊位置，就先命令米契爾消滅在馬里亞那已知的敵機力量，與小澤決戰之前先解决這方面的敵人。該日早晨第五艦隊已擊垮了馬里亞那的日本航空兵力，並開啟當日11小時激烈空戰的序幕，同時對關島與羅塔島的日軍飛機壓制，之後小澤艦隊的飛機即使成功穿越美軍艦隊前往馬里亞那，也會在降落時被美機重創。不過即使美軍要先對付馬里亞那方面，但航空母艦飛行甲板仍保留足够飛機隨時應付小澤的進攻。
從19日上午正當第五艦隊不斷搜尋小澤艦隊行踪之際，小澤已於8:30派出栗田前衛艦隊的飛機共69架發動第一波攻擊，8:56從主力的甲隊派出最大的一波攻勢共128架作為第二波，10:00自乙隊派出47架飛機作第三波，11:00又從甲乙兩隊發出82架飛機作為當日上午最後一波，四波共326架，企圖以大量的戰機一舉擊破米契爾的空防。
19日9:50，第一波日機被美軍戰艦雷達發現，米契爾於10分鐘內出動240架飛機（此快速動員艦載機記錄至今未破），雙方原本在遭遇時，美軍飛機應還無法爬升至日機高度，也就是說，這些美軍飛機得眼睜睜看著日機從其上方呼嘯而過卻無法攔截，但日機卻浪費寶貴的10分鐘對機群重新調整，使美軍有時間迅速爬升至與日機相同的高度，並以監聽日機指揮官指令改變攔截戰術，接下來，以F6F地獄猫式戰鬥機為主的美機對已顯得落後的日本飛機進行攔截，日機主力零式戰鬥機太平洋戰爭初期所向披靡，但現在已非美國地獄猫式戰鬥機的對手，飛機數量、質量及自中途島戰役後逐漸拉大的雙方飛行員貭素，使日機完全無法應付美機的攻擊，只能對前方的美軍戰艦群進攻。
美軍使用新型防空炮彈—裝有近炸引信的炮彈，此種炮彈可以偵測飛機是否進入其爆炸殺傷範圍，一旦進入其爆炸殺傷範圍即會引爆，效率為傳統防空炮彈數倍，太平洋戰爭後期有一半高射炮擊落的飛機是因為使用VT引信炮彈的緣故，在來年日本發動「神風」自殺攻擊時發揮關鍵作用，使得日機攻擊美艦的難度加大。在美國戰機與美艦强大防空火炮之攔截下，日本第一波攻擊機群損失42架，僅3、4架飛到第7支隊上空並命中南達科他號一枚炸彈，沒有一架飛到美國航艦上空。
11時39分，規模最大的日機第二攻擊波再度被美國戰機攔截，美國F6F戰機圍著科技欠佳、效能落伍的日機窮追猛打，演變成空中大屠殺，至少70架日機在這波攔截中被擊落，同時美軍以當時其中一名飛行員的興奮之語：「這多像古代獵殺火雞的戰場啊！」將當日的空戰命名為馬利亞那射火雞大賽（TheGreat Marianas TurkeyShoot）。20架日機突破重圍，14架接著又被第7支隊的防空炮火擊落，一架天山魚雷機撞在戰鬥艦印第安那號水線附近，但魚雷未爆炸；另有6架慧星俯衝轟炸機在正午時對第2支隊展開攻擊，一枚炸彈在胡蜂號上空爆炸，兩枚炸彈在碉堡山號近處海中爆炸，兩艦受損輕微。第3支隊遭受幾架魚雷機攻擊，企業號躲掉一枚魚雷，其它飛機則被美國防空炮火打退。總計第二波日機128架共折損97架，另外僥倖逃生的31架則返回小澤艦隊，而美軍卻幾乎未受損失。
雖然第58特遣艦隊的艦載機取得對日本艦載機的壓倒性勝利，可是始終未能發現小澤艦隊並給予打擊，當第58特遣艦隊面對小澤艦隊攻擊而未能反擊之際，美軍的潛艇部隊扮演身為水下殺手的關鍵角色。正當19日8時美日艦載機還未遭遇前，潛艦大青花魚號（USSAlbacoreSS-218）潜航時發現了小澤艦隊的甲隊，盯上日軍陣中最大的大鳳號航空母艦。上午9時大青花魚號正要對大鳳號發射魚雷時，卻被日軍水面艦艇發現而被攻擊，又加上潜艇瞄準鏡故障，其只能盲目送出6枚魚雷同時下潜逃離。一名日軍飛行員不顧性命用自己與飛機檔下其中一枚魚雷，有一枚仍幸運的擊中大鳳號，由於該艦裝甲雄厚，特別注重防禦能力，囙此一時並未造成很大的影響，但畢竟這艘航空母艦是針對太平洋戰爭初期美軍頗强的俯衝轟炸攻擊而進行防護設計，水線下的艦身對魚雷防護不足，這個隱憂會在之後顯現出來。
中午時分，美軍有名的棘鰭號潛艦（USS AlbacoreSS-244），同樣闖入了小澤艦隊的甲隊艦群中，當時翔鶴號航空母艦因為正進行收回飛機的工作，無法機動規避魚雷攻擊，棘鰭號發射的6枚魚雷至少有3枚命中翔鶴號，使翔鶴號立時失去戰力，並在當日14:32分沉沒。
而先前遭魚雷命中的另一艘航空母艦大鳳，油氣自管內外泄，彌漫了整個航空母艦的艦體，下午三時因為油氣濃度過高，加上艦內人員不慎引起火花，使艦內燃起大火，同時引爆了彈藥庫，使大鳳號腹部接二連三發生大爆炸，使小澤不得不放弃自己的旗艦大鳳號，移乘重巡洋艦羽黑離開，但其通訊設施遠不足以擔任旗艦的重要位置。同時由於移乘造成的混亂，小澤並未得知其飛行員悲慘的下場，還因為日軍飛行員那自欺欺人的謊報，以為美國艦隊受到嚴重打擊。同日18:28分，大鳳號也隨翔鶴號沉沒在菲律賓海。
正當小澤損失自己的兩艘大型航空母艦時，日本艦載機還正飛向馬里亞那去攻擊美軍，日方第三波機群47架並未順利找到目標，在返航途中於12時55分與第7支隊接觸，還有一些曾飛到第4支隊上空，但都沒有任何戰果，共7架日機被擊落，是當天日機攻勢中損失最少、戰果也最小的一波。第四波攻擊機群於14時飛抵預定海面，也沒發現美艦，便分成三路。第一路12架飛往羅塔島途中發現第2支隊，其中6架被F-6F擊落，剩餘6架投下至近彈擊中胡蜂號與碉堡山號，造成再度對其輕微損傷。另18架來自瑞鶴的機群也被美機攻擊，損失9架。49架日機拋弃炸彈飛往關島，被第58特遣艦隊發現，便派出27架F-6F加以攔截。美機在日本降落時發動突擊，30架日機被擊落，其餘19架落地後也遭到嚴重破壞而報帳。總計第四波82架最後僅9架能升空再戰。
19日當天戰鬥結束時，戰役結果已大致分曉。小澤艦隊被美國潛艦擊沉兩艘大型航空母艦，派出的326架艦載機中僅130架返回日本航空母艦，加上角田在關島折損的50架及隨大鳳、翔鶴沉沒的飛機，日本總損失315架。美方取得史上最大艦載機空戰的壓倒性勝利，空戰中僅僅損失23架，6架飛機在操作意外中損毀，此外僅有兩艘航艦、兩艘戰鬥艦受到輕微損傷。
原本美軍第58特遣艦隊19日白天不斷派出偵察機，欲尋找日本艦隊並殲滅之，但在小澤艦隊的戰術使用下而未成功探查到日艦的踪影。同日15時，鑒於日本「分兵合擊」的顧慮逐漸消除，斯普魯恩斯終於准許米契爾第二天朝日本艦隊前進。鑒於飛行員已在白天的空戰中消耗不少體力，米契爾並未在夜間派出偵察機，20日上午一面西進一面派機偵察，仍一無所獲。因為19日夜間小澤艦隊轉往西北，暫時避開跟第58特遣艦隊的接觸並進行加油，小澤意圖第二日再度派出其剩餘百餘架的艦載機，同時計畫聯合已飛往馬里亞那加油添彈的艦載機一同襲擊美艦（但大部分飛往馬里亞那的艦載機已被擊落）。
20日上午，小澤再移乘其所在的甲隊唯一剩餘的航空母艦瑞鶴，此時由於通訊改善，下午1時小澤終於得知前一天空戰的結果，由於大量艦載機損失，小澤僅剩百餘架飛機可以出擊，即使如此小澤仍打算協同陸基航空隊對美軍再進行一次打擊，小澤正決斷之時，前衛艦隊司令栗田自旗艦愛宕重巡洋艦向小澤通報：美第58特遣艦隊向己方逼近，距離已不到300海裡。
20日15:40分面，企業號的一架偵察機發現小澤艦隊，自海戰展開30個小時以來，第五艦隊終於首度發現一直躲藏在偵察距離外的敵艦隊。可時機卻極為尷尬，因為雙方艦隊距離275海裡，第58特遣艦隊若發動進攻則將使其艦載機面臨危險的夜間降落。米契爾雖然左右為難，但為免坐失戰機，依舊發下唯一有可能的指令：出擊！16:21分第58特遣艦隊第1、2、3支隊（除掩護第7支隊戰鬥艦的第4支隊外）派出216架飛機進攻，啟動這場海戰中第五艦隊唯一一次的攻勢。16:15分日軍方面也發現美艦隊，17點25分甲隊唯一的航空母艦瑞鶴出動7架魚雷機去攻擊，前衛部隊的栗田中將也因為收到夜戰命令而向東進。但美軍飛機已先趕到日艦上空，開始攻擊日艦。
被美機發現後，小澤下令艦隊向西北各自高速逃脫，並拋弃補給艦隊。18:40分，美機抵達補給艦隊上空，重創兩艘油輪，兩艦後來都被迫自沉。隨後一心想尋找日本航空母艦的美機群飛到日本艦隊上空，日落前展開匆忙的攻擊。中型航空母艦飛鷹號被一枚魚雷擊中，引發大火，2小時後沉沒，而空母隼鷹、龍鳳、千代田、瑞鶴、戰艦伊勢、重巡摩耶都被炸彈擊傷，其中小澤的旗艦瑞鶴傷勢較重。日本在這波攻擊中又損失65架飛機，美國則損失20架。由於小澤下令各艦自行運動及美國艦載機攻擊過於匆忙，囙此這波攻擊成果並不特別出色。
20時45分，大批燃料即將耗盡的美機在夜色中回到艦隊上空。雖然米契爾下令整個艦隊不惜冒著被日軍潜艇攻擊的危險打開照明，航空母艦以探照燈直射天空，驅逐艦也發射照明彈。但由於各機油料殆盡，加上200架飛機同時聯絡艦隊所造成的通訊混亂，許多飛行員無視於降落信號燈官的指令爭先恐後地撲向甲板，導致許多混亂與意外。在此回夜間降落中，美機損失80架。諷刺的是，聯合艦隊的全力攻擊只使敵手損失40架飛機，竟不及夜間降落對美軍造成的損失。
由於驅逐艦徹夜蒐索因為油料用盡而墜海的飛行員，囙此僅49名飛行員在夜間降落中喪命（仍比日本艦隊攻擊與空戰的損失的27人多）。搜救行動造成的混亂使第58特遣艦隊幾乎停止反潜工作，幸虧艦隊未受日軍潜艇攻擊，卻又再耽擱寶貴的2小時。19點40分左右，聯合艦隊長官豐田副武大將向小澤發佈脫離與美軍接觸的命令，小澤便中止「阿」號作戰撤退了。第58特遣艦隊追擊無法成功，海戰囙此結束了。
美國第五艦隊第58特遣艦隊在這場海戰中重創日本海軍主力第一機動艦隊，一舉奪得西太平洋的制海權同時鞏固在塞班建立起的陣地，美軍僅付出76人陣亡、損失123架飛機、四艘軍艦輕傷的極小代價，給予敵人三艘航空母艦、兩艘油輪及600架飛機的巨大傷害。雖然無法再給予敵人更大的傷害，仍是一場决定性的大海戰，使日本航空母艦部隊無力再與美軍抗衡，只能在4個月後雷伊泰灣海戰中成為誘餌，悲慘的被全數殲滅。以後馬里亞那完全被美軍控制，如同兩周前盟軍諾曼地登陸突破納粹德國的大西洋壁壘一般，日本「絕對國防圈」慘遭突破，美國陸軍航空兵（1947年改為美國空軍）的大型遠程戰略轟炸機B-29得以進駐，日本最大的夢魘—盟軍轟炸機投下大量燒夷彈摧毀整座都市的可怕情景將深深烙印在他們心中。
由於驅逐艦徹夜蒐索因為油料用盡而墜海的飛行員，囙此僅49名飛行員在夜間降落中喪命（仍比日本艦載機攻擊與空戰的陣亡的27人多）。搜救行動造成的混亂使第58特遣艦隊幾乎停止反潜工作，幸虧艦隊未受日軍潜艇攻擊，卻又再耽擱寶貴的2小時。19點40分左右，聯合艦隊長官豐田副武大將向小澤發佈脫離與美軍接觸的命令，小澤便中止“阿”號作戰撤退了。第58特遣艦隊追擊無法成功，海戰囙此結束。
美國第五艦隊第58特遣艦隊在這場海戰中重創日本海軍主力第一機動艦隊，一舉奪得西太平洋的制海權同時鞏固在塞班建立起的陣地，美軍僅付出76人陣亡、損失123架飛機、四艘軍艦輕傷的極小代價，給予敵人三艘航空母艦、兩艘油輪及600架飛機的巨大傷害。雖然無法再給予敵人更大的傷害，仍是一場决定性的大海戰，使日本航空母艦部隊無力再與美軍抗衡，只能在4個月後萊特灣海戰中成為誘餌，悲慘的被全數殲滅。以後馬里亞那完全被美軍控制，如同兩周前盟軍諾曼地登陸突破納粹德國的大西洋壁壘一般，日本“絕對國防圈”遭突破，美國陸軍航空兵的大型遠程戰略轟炸機B-29得以進駐，得以投下大量燒夷彈進行戰畧轟炸。