日軍第三攻擊波乙隊49架飛機，其中戰鬥轟炸機25架、戰鬥機17架、魚雷機7架，由石見丈三少佐擔任空中指揮。起飛後，有16架戰鬥轟炸機和4架戰鬥機與大隊失散隨後自成一隊向目標海域飛去，一直飛出350海里也未找到美艦，於14時返回母艦。石見率領的其餘飛機在途中接到母艦通報美軍艦隊新位置，但飛抵新位置後沒有發現，就再轉向舊目標位置，結果與美軍約40架戰鬥機遭遇，雙方隨即展開空戰，日軍有5架戰鬥轟炸機、1架魚雷機和1架戰鬥機被擊落，並失去了攻擊美軍艦隊的戰機，只得返回母艦。
10時15分，乙隊出動了50架飛機，其中轟炸機27架、戰鬥機20架、魚雷機3架，在目標海域沒有發現美艦，便按計劃飛往關島降落，在關島將要着陸時遭到了美機的攻擊，日軍14架戰鬥機、9架轟炸機和3架魚雷機被擊落，降落在關島的日機，機場跑道因美軍轟炸而被嚴重破壞，所以在着陸時受到很大損失，幾乎沒有一架不受傷，因而無法再次起飛參戰。
10時20分，甲隊出動18架飛機，其中轟炸機10架，魚雷機和戰鬥機各4架，途中遭到美機有力攔截，被擊落轟炸機8架、魚雷機1架，另有1架魚雷機因傷勢過重於返航途中墜海。
10時30分，乙隊再度派出9架轟炸機和6架戰鬥機，到達目標海域沒有發現美軍，便在附近進行搜索，結果終於找到了美軍的第二航母大隊，立即實施攻擊，美軍“邦克山”號航母被一枚炸彈擊中，所幸損傷輕微，日機則在美艦猛烈高炮火力下，損失了5架轟炸機和4架戰鬥機。日軍距離美軍最近的丙隊，忙於回收返航的飛機，沒有出動飛機。
日軍在這四次攻擊中，總共損失192架，而在關島降落的飛機也大多被擊毀，航母上的艦載機只剩102架，其中戰鬥機44架、戰鬥轟炸機17架、轟炸機11架和魚雷機30架。小澤並不知道戰爭的結果，率領艦隊向北航行，後又轉向西北航行，並進行海上加油，準備次日再戰。
由於“羽黑”號巡洋艦的通信系統較弱，小澤於20日12時再改以“瑞鶴”號航母爲旗艦。
美軍挫敗了日軍的四次攻擊，回收了出動的飛機之後，天色已晚。斯普魯恩斯知道美軍已經勝券在握，日軍迂迴攻擊塞班島登陸灘頭的可能已不復存在，指示米切爾夜間可組織偵察機搜索，一旦確實掌握日軍艦隊位置，明晨即可發起攻擊。20日天亮後，米切爾指揮艦隊一面西進一面出動飛機進行搜索，但直到中午，仍未發現日軍艦隊。米切爾知道美軍艦隊航速爲24節，日軍艦隊航速僅18節，直到現在沒有發現日軍，肯定是追擊的航向不對，便改爲向西北追擊，下午16時許，纔有一架飛機報告在西北約220海里發現日軍艦。這可令美軍犯難了。距離遠不說，而且出擊飛機返航時天色肯定全黑了，美軍大部分飛行員還沒有進行過夜間着艦訓練，但如果現在不出擊，等待次日天亮再出動，就將失去戰機，米切爾思考一番後，決心立即出擊！
16時20分，美軍航母轉向逆風組織艦載機起飛，地勤人員行動極其迅速，在10分鐘裡就有216架飛機升空，其中戰鬥機85架、轟炸機77架、魚雷機54架。由於航程較遠，所有戰鬥機和轟炸機都攜帶了機腹副油箱。航母在艦載機起飛後，恢復西北航向全速前進，以儘量縮短艦載機返航的距離。
17時30分，美機先發現了日軍的補給船隊，部分美機立即進行了攻擊，擊沉了日軍“玄洋丸”和“清洋丸”兩艘油船，擊傷了“速吸”號油船。其餘美機繼續向西，很快發現了日軍艦隊，便展開攻擊。
小澤早在16時就知道美軍航母編隊正在後面進行追擊，便停止海上加油，全速向西北撤退，並以部分水面艦只組織了一支斷後編隊，向東航行，擔負掩護。隨後將艦隊殘存的75架戰鬥機盡數派出，進行空中掩護，同時三個編隊相互靠攏，縮小間距，以便發揚護航軍艦的防空火力。
美機臨空後，先與空中的日軍戰鬥機發生空戰，儘管日機數量上、性能上以及飛行員素質上都比美軍差，被擊落40餘架，仍相當頑強拼死苦戰，協同水面艦只的防空火力擊落美機20架，美機突破日機空中攔截後，對日軍艦隊進行了猛烈攻擊，擊沉了“飛鷹”號航母，擊傷了“瑞鶴”號、“隼鷹”和“千代田”號航母、“榛名”號戰列艦和“摩耶”號巡洋艦。
20日晚8時46分小澤接到豐田的撤退命令，便率領機動艦隊本隊向中城灣撤退，而掩護本隊撤退的斷後編隊，因敵情不明夜戰無望，小澤命其停止東進，也向西北撤退。此時，日軍艦隊的艦載機僅剩35架，戰列艦和巡洋艦上的艦載水上飛機也僅剩12架，幾乎喪失了戰鬥力。
至此，這場有史以來規模最大的航母間海戰就落下了帷幕。日軍將此次海戰稱爲“馬里亞納海戰”，美軍則稱爲“菲律賓海海戰”，海戰中，美軍僅2艘航母、2艘戰列艦和1艘巡洋艦受輕傷，無一艘軍艦沉沒，艦載機損失117架。日軍被擊沉航母3艘、油船2艘，被擊傷航母3艘、戰列艦、巡洋艦和油船各1艘，艦載機損失404架，佔全部艦載機的92%；岸基飛機損失247架，幾乎全軍覆沒；此外日軍出動的36艘潛艇也被擊沉20艘。
■塞班島戰役
塞班島是馬里亞納羣島的第二大島，長約21公里，寬4公里至8公里不等，面積約184平方公里。日軍在塞班島上建有三個機場，南面的阿斯利洛機場始建於三十年代，經過擴建，現可起降任何機型的飛機，是島上的主要機場。附近的恰蘭卡諾阿機場是簡易機場，只能起降小型飛機。北面的馬皮機場，跑道較短，作爲戰鬥機緊急着陸的備降機場。
塞班島不僅是日軍在馬里亞納羣島的中心島嶼，還是中太平洋地區的防禦核心，其陸軍第31軍軍部和海軍中太平洋艦隊司令部都設在該島。從1944年春起，日軍就開始向塞班島增派部隊，加強防禦力量。美軍登陸前夕，日軍在塞班島上兵力是陸軍步兵第43師團、步兵獨立混成第47旅團、工兵獨立第7聯隊、坦克第9聯隊、山炮獨立第3聯隊和高炮第25聯隊等部，共2.8萬人，火炮211門，坦克39輛。海軍有第5水警區的第55警備隊和橫須賀第1海軍陸戰隊等部，共1.5萬人，火炮49門，坦克10輛，合計總兵力4.3萬，火炮260門，坦克49輛。
美軍進攻塞班島的部隊是由霍蘭·史密斯中將任軍長的海軍陸戰隊第5軍，所轄基本部隊爲陸戰2師和陸戰4師，共7.1萬人。擔負運輸和直接支援的艦船有7艘戰列艦、7艘護航航母、11艘巡洋艦、41艘驅逐艦、30餘艘掃雷和反潛艦艇、110餘艘登陸艦艇、30餘艘運輸艦，共240餘艘艦船。陸戰第5軍和這些艦艇合編爲北部登陸編隊，由特納中將指揮。
5月29日和30日，北部登陸編隊分兩批從夏威夷先後出發，6月7日和8日到達埃尼威托克補充燃料和淡水，然後繼續向塞班島航行。
6月15日凌晨，北部登陸編隊到達塞班島海域。擔負艦炮火力支援的戰列艦、巡洋艦和驅逐艦對日軍陣地進行猛烈炮擊；護航航母起飛的70餘架飛機對日軍防禦工事實施航空火力壓制；編在登陸艇隊中的炮艇以40毫米火炮實施伴隨火力支援；兩棲坦克則在履帶登陸車隊的兩翼和中間，掃清日軍障礙，掩護履帶登陸車上岸。
8時44分第一批部隊抵岸，但日軍炮火非常兇猛，履帶登陸車難以開上指定地點，只得在水線附近卸下所載人員，僅8000人上陸。由於美軍登陸前的炮火準備不夠充分，日軍很多的火力點正猛烈轟擊灘頭上的美軍，這使得美軍的進展非常遲緩。更嚴重的是在陸戰2師和陸戰4師之間出現了寬達900米的空隙，這是因爲陸戰2師在突擊上陸時遇到了強烈的潮汐，航向出現了偏差所致。按照計劃，美軍在登陸當天，應該佔領灘頭後方約兩公里的丘陵地帶，但在日軍激烈抵抗下，推進最遠的陸戰4師二十三團到達了菲納蘇蘇山，卻被山上日軍猛烈炮火壓制，只得又後退了百餘米，至天黑時，美軍雖然登陸的部隊已有兩萬餘，傷亡2000餘，奪取的登陸場卻只有計劃的一半，難以形成有效的防禦態勢。
當晚，日軍以36輛坦克掩護1000多步兵發動了夜襲，企圖將美軍一舉趕下海。美軍對此早有防備，照明彈一發接一發，將夜空照得如同白晝，日軍的反擊剛開始就被發現，美軍隨即召喚艦炮火力支援，在猛烈密集的艦炮射擊下，日軍白白損失700餘人，偷襲失敗。
6月16日，斯普魯恩斯與特納、史密斯商議後，決定第58特混編隊先迎擊日軍艦隊，以保證登陸作戰的順利實施，預備隊第27師部隊立即投入作戰。原本打算6月18日進攻關島的計劃也先暫緩進行，把進攻關島的南部特混編隊部分軍艦加入第58特混編隊迎擊日軍艦隊，部分軍艦則加入支援塞班島的北部特混編隊；登陸部隊和登陸艦艇、運輸艦船則退往埃尼威托克礁湖，作爲留船預備隊待命。這樣一來，登陸部隊的實力大大增加了。
16日深夜到17日凌晨，日軍又以44輛坦克和500人發動夜襲，結果遭到了沉重打擊，坦克被全部消滅，步兵也損失大半。
6月17日，美軍以護航航母艦載機、艦炮、坦克和地面火炮支援地面部隊發動攻擊，進展很快，登陸場擴大了一倍，恰蘭卡諾阿機場也被攻佔。齋藤見兩次夜襲均告失利，知道已無法將美軍趕下海，只好改變戰術，命令島上部隊依託有利地形進行堅強防禦，並調提尼安島部隊前來支援，可美軍完全控制了塞班島與提尼安島之間的海域，援軍在航行途中就被美軍驅逐艦所消滅，根本無法到達塞班島。
6月18日，美軍繼續發展進攻，奪下了最大的機場——阿斯利洛機場，兩天後陸戰隊的戰鬥機就開始進駐該機場。齋藤已經放棄機場將守軍撤到了納富坦角，準備持久防禦。深夜，日軍從塞班島西海岸中部的塔那巴戈港出動13艘駁船，運載一支部隊，企圖實施反登陸，但路上就被美軍驅逐艦發現並消滅。這時，齋藤終於意識到美軍實力強大，重新調整部署，依託島上最高峰塔波喬峰組織防線。
6月19日，美軍第27師向東海岸步步進逼，將日軍壓縮到納富坦角附近狹小地區。陸戰4師也推進到楚楚蘭村，佔領了齋藤以前的指揮所。而美國海軍在馬里亞納海戰中的輝煌勝利，徹底消除了日本海軍對塞班島的海上增援，塞班島日軍已經陷入了孤立無援的境地。而且第58特混編隊可以毫無後顧之憂全力支援陸上作戰。
6月20日，陸戰第5軍軍長史密斯正式接過陸上作戰的指揮權，特納全力負責組織物資的卸載，以保障登陸部隊的後勤供應。
日軍大本營千方百計組織對塞班島的增援，但都因美軍的嚴密封鎖無法前往塞班島，爲此，日軍的增援企圖終告破滅。
6月22日，史密斯將塞班島上的美軍部署調整完畢，陸戰2師在左，陸戰4師在右，步兵第27師以一個營肅清納富坦角日軍殘部，主力居中，三個師齊頭並進，肩並肩向前推進。早晨6時，美軍第52和第58特混編隊的所有軍艦、艦載機和18個地面炮兵營的火力一起向日軍陣地實施火力準備，彈如雨下，地動山搖，在前所未有的炮火支援下，兩個陸戰師首先發起了攻擊，至傍晚，陸戰2師推進到了塔波喬峰西側山坡下，陸戰4師到達了馬基奇思灣北岸，形成了對塔波喬峰的夾擊之勢。
6月23日，第27師也加入了戰鬥，三個師從西、南、東三面攻擊塔波喬峰，但27師師長拉爾夫·史密斯少將擔心部隊在夜間行軍迷失方向，所以22日夜間沒有及時出發，結果23日拂曉發動總攻時，27師第一梯隊的三個突擊營都無法按預定時間發起攻擊，直接影響了對塔波喬峰的總攻。全師拖了全局的後腿。
爲此，史密斯軍長與斯普魯恩斯和特納商議後，撤換了27師師長，由塞班島駐軍司令桑德福特·賈曼陸軍少將在新師長到來之前代理指揮，這引起了陸軍的強烈不滿，引發了陸海軍之間的爭執。但隨後，27師攻擊也變得雷厲風行，戰況開始好轉。
6月26日，經過數天的激戰，美軍終於攻下了最高山峰——塔波喬峰。接着向地形比較狹窄的北部地區繼續猛攻。
6月30日，齋藤在美軍越來越大的壓力下，率餘部退至塔納帕格村一線的“最後抵抗線”，負隅頑抗，做最後的垂死掙扎。
7月3日，陸戰二師佔領加特潘角和木特喬，這兩地經過異常慘烈的戰鬥，已經成爲一片廢墟。
7月4日，二十七師攻佔了福勞里斯角水上飛機基地，將殘餘日軍壓縮至東北角的狹小地域，至此日軍的最後防線終於被突破，守軍大部被殲。
7月6日，齋藤和南雲向東京大本營發出了最後的訣別電，然後將島上殘餘的5000官兵集中起來，部署了最後的決死攻擊。當晚齋藤剖腹自殺，南雲則用手槍結束了自己的生命。
7月7日4時45分，5000多日軍突然發起了進攻，軍官揮舞着武士道軍刀，身先士卒帶頭衝鋒，士兵們有槍的帶槍，沒槍的拿着刺刀和棍棒，甚至頭裹繃帶、手拄柺棍的傷員也一瘸一拐地衝上來，全然不顧美軍的射擊，日軍從27師兩個營的空隙間突入美軍戰線，美軍105團一個營在日軍的瘋狂衝鋒下潰散，該團另兩個營則遭到了己方炮火的誤擊，損失慘重，戰鬥持續了數小時，美軍將後方勤雜人員也編入戰鬥部隊，投入戰鬥，終將日軍這次喪失理智的自殺衝鋒粉碎，美軍傷亡很大，而日軍在美軍陣地前遺留的屍體就有4300具。至此，日軍有組織的抵抗結束。
在塞班島登陸戰役中，美軍陣亡3400餘人，日軍守備部隊中4.1萬人陣亡，其中陸軍2.61萬人，被俘2000餘人。此外還有2.2萬平民，幾乎佔全島居民的三分之二喪生。
■關島戰役
關島是馬里亞納羣島中面積最大的島嶼。1898年起被美國佔領，只被作爲美國本土至菲律賓航線的中途補給站，幾乎不設防。1941年被日軍佔領時，島上只有數十名保護總督府的海軍陸戰隊員。
日軍在關島建有三個機場，其中第三個機場尚未竣工。馬紹爾羣島失守後，日軍纔開始加強關島的防禦，日軍對關島的增援比塞班島成功多了，大批援軍和物資運上了關島。
關島的守軍是陸軍步兵第29師團、第48獨立混成旅團、第10獨立混成聯隊、第52高炮大隊以及海軍第54警備隊，共兩萬餘人，火炮二十餘門，坦克四十餘輛，由第29師團長高品彪中將統一指揮。