В первой атаке участвовали 85 истребителей, 77 пикирующих бомбардировщиков и 54 торпедоносца. В 16.30 они были уже в воздухе. После этого 58-е оперативное соединение развернулось и взяло прежний курс на противника, чтобы сократить расстояние возвращающимся самолетам. И тогда произошло непоправимое. Оказалось, что летчик самолета-разведчика, который доложил о местоположении японского флота, ошибся. Из его повторного донесения следовало, что противник находится на 60 миль дальше. Митчер, обдумав положение, решил не отзывать первую группу и отменил вылет второй.
Перед самым заходом солнца летчики 58-го оперативного соединения заметили японские нефтеналивные суда. Несколько самолетов атаковали их и потопили два танкера, а остальные последовали за авианосными группами противника. Рассредоточившись веером, американские бомбардировщики атаковали и подожгли авианосцы "Тиёда" и "Дзуйкаку"; при этом были повреждены линейный корабль и крейсер. Несколько самолетов-торпедоносцев "Авенджер" сумели с небольшой высоты сбросить торпеды на авианосец "Хиё". Объятый пламенем, поврежденный внутренними взрывами, "Хиё" медленно затонул.
Японские зенитные орудия и истребители сбили 20 американских самолетов, но потери японцев были еще тяжелее. К вечеру 20 июня у Одзава осталось всего лишь 35 палубных самолетов.
Между тем американские авианосные группы, выполнив свою задачу, взяли курс обратно к 58-му оперативному соединению. Топливные баки в некоторых бомбардировщиках и самолетах-торпедоносцах были наполовину, а то и больше, пусты, у некоторых самолетов горючее вообще оказалось на исходе. Первыми упали в море поврежденные самолеты. За ними последовали те, которые пренебрегли экономией горючего.
Митчер рассредоточил свои авианосцы так, чтобы обеспечить больше места для маневрирования при посадке самолетов. Проходили минуты, а самолеты не возвращались. Но вот с поста управления полетами сообщили о приближении первого самолета. Оперативное соединение развернулось против ветра. Но садиться на авианосцы ночью, в темноте, было трудно. Митчер знал, что спасет многих, если зажжет сигнальные огни. Разумеется, это привлекло бы самолеты и подводные лодки противника. Но иного выбора не было, ведь авианосец без самолетов - только обуза, И Митчер приказал включить огни. Включили все ходовые и якорные огни, чтобы показать полетные палубы. Зенитные орудия открыли огонь осветительными снарядами, а прожекторы были направлены прямо вверх, как приводные световые маяки.
Первые несколько самолетов удалось посадить более или менее нормально, но по, мере прибытия новых началась неразбериха. Израсходовав последние капли горючего, самолеты камнем падали вниз, и тогда им на выручку спешили эсминцы. Летчики, которым было приказано садиться на любой авианосец, кружились над кораблями, разыскивая свободные палубы. Один отчаявшийся летчик не подчинился сигналу "Лексингтона" повторно зайти на посадку и врезался в шесть только что севших самолетов, Два самолета сели один за другим на "Банкер Хилл", не обратив внимания на сигналы, и врезались друг в друга, На борт "Энтерпрайза" совершили одновременную посадку истребитель и бомбардировщик, они не столкнулись просто чудом.
После удачного боя 80 американских самолетов утонули или разбились при посадке. В 22.32, закончив прием самолетов, 58-е оперативное соединение взяло курс к месту боя. В течение ночи и следующего дня корабли соединения подобрали многих летчиков. Из 209 летчиков, участвовавших в воздушной атаке кораблей японского флота 20 июня, не было спасено только 49.
Спрюэнс подсчитал, что те два часа, которые американские силы затратили на посадку самолетов, а также время, потерянное в ходе спасательных работ, дали возможность отходящему противнику уйти за пределы радиуса действия американских самолетов. Это стало ясно утром 21 июня, когда самолеты "Авенджер" обнаружили японский оперативный флот на расстоянии 360 миль; он шел курсом на северо-запад со скоростью 20 узлов. Весь следующий день американские самолеты безрезультатно искали противника, и через час после захода солнца Спрюэнс приказал прекратить поиск. 58-е оперативное соединение снова взяло курс на восток.
Итак, в ходе сражения японцы потеряли один тяжелый авианосец; три легких авианосца были повреждены.
Захват южной группы Марианских островов
Победа американцев в этом сражении резко изменила обстановку. Поскольку морские силы противника больше не представляли серьезной опасности, палубные самолеты 5-го флота и корабли артиллерийской поддержки могли теперь спокойно решать задачу поддержки американских войск на Сайпане и подготовки к предстоящему нападению на Тиниан и Гуам.