日军的决战计划原是联合舰队司令古贺峰一海军大将主持制定的，代号为“阿号作战”。但古贺于3月31日在前往菲律宾途中座机遭遇暴风，机毁人亡。接替他的是丰田副武海军大将。在其上任的第二天，即5月3日，就接到了大本营发起“阿号作战”的指令，随即向所属各部下达了作战指令。但日军大本营错误地判断加罗林群岛是美军即将开始的进攻地点，因而疏忽了马里亚纳群岛的防御。
根据“阿号作战”计划，第五岸基航空队和第一机动舰队的舰载航空兵将对来犯之敌实施两面夹击，以抵消美军航母编队舰载机在数量上的优势。第五岸基航空队分为三部分，分别部署在帛琉、马里亚纳和雅浦三地，每一处的航空队都拥有战斗机、轰炸机、攻击机和侦察机，一旦判明美军的攻击方向，该地的航空队立即转移，以避其锋芒，然后再集中全力组织攻击。
最开始计划中规定如美军进攻马里亚纳，将不动用小泽的第一机动舰队，而只出动岸基航空兵迎敌，后来由于分配给小泽的油船数量有所增加，才改为小泽的舰队也加入马里亚纳的作战。小泽的机动舰队最初大部停泊在林加锚地，小部停泊在濑户内海，都在抓紧进行战前训练。根据联合舰队下达的“阿号作战”指令，于5月11日和12日分别起航，5月14日和15日先后到达菲律宾南部的塔威塔威。让他们没想到的是，美军潜艇在塔威塔威海域频繁活动，因此他们根本无法进行海上练习。此外，塔威塔威岛上又没有合适的飞行训练基地，第一机动舰队中的飞行员都是一些没有什么作战经验的年轻飞行员。这与美军相比，相差悬殊。
■ 马里亚纳海战
6月15日凌晨，美军北部登陆编队的30余艘运输舰、40余艘坦克登陆舰和27艘警戒舰只到达塞班岛西侧加腊潘附近海域，陆战2师和陆战4师开始换乘。5时许，舰炮火力支援群和护航航母支援群对登陆地点的日军防御工事进行最后的火力准备。8时30分，第一批登陆部队共8个营分乘600余辆两栖履带车和两栖坦克向正面宽度约6公里的登陆滩头冲击，8时44分，第一波美军上岸，9时许，第一批部队陆续上岸。
那日军方面是什么情况呢？早在6月9日，日军侦察机就发现停泊在马朱罗锚地的大批美舰忽然失踪，由此推测美军即将发动一场大规模的进攻，丰田副武便于次日命令各部作好战斗准备。但日军最大的错误便是认为美军的主攻方向是在新几内亚群岛西北部和加罗林群岛西部，将帛琉群岛海域作为决战地域。6月11日，美军航母编队开始袭击马里亚纳群岛，日军仍认为这是美军牵制性的行动。直到6月13日，美军登陆编队出现在塞班岛海域，并开始炮击塞班岛，这才清楚美军的意图，丰田于当天下午17时30分下令暂停在新几内亚群岛比阿岛的“浑号作战”，准备实施“阿号作战”，并命令第1机动舰队和第5岸基航空部队调去参加“浑号作战”的部队火速归还建制。
第5岸基航空部队已在“浑号作战”中遭到不小的消耗，很多飞行员还得了“登革热”病无法执行作战任务。因此，日军只得从横须贺海军航空兵中抽调120架飞机组成八个航空队，由松永贞市中将任司令，火速南下参战。
小泽率机动舰队参加除“浑号作战”以外的军舰，13日从塔威塔威出发，前往吉马拉斯岛完成战前训练，就在航行途中接到丰田实施“阿号作战”的指令，一面率领舰队北上，一面命令宇桓缠中将指挥参加“浑号作战”的舰只火速返回。14日黄昏小泽所部到达吉马拉斯岛，立即连夜进行补给，15日一早就进入太平洋。16日15时与宇桓率领的舰只在萨马岛以东海域会合，一齐东进。17日15时30分，机动舰队所有军舰进行了海上加油完成了最后的战斗准备。小泽命令补给船只西撤，自己率领9艘航母（共搭载舰载机439架）、5艘战列舰、14艘巡洋舰和31艘驱逐舰继续向东。不久就接到丰田发来的准备战争的电报，其具体内容是：“皇国兴废，在此一战，全体将士务须全力奋战！”小泽随即在旗舰“大凤”号航母主桅上升起了“Z”字旗，这是日本海军胜利的象征，小泽如此做无非是想借这面旗帜重振士气。
小泽将机动舰队分为三部队：第一航空战队（本文以下简称甲队）由小泽亲自指挥，共有3艘大型航母、4艘巡洋舰和12艘驱逐舰，舰载机214架；第二航空战队（本文以下简称乙队）由城岛高次少将率领，共1艘大型航母、2艘轻型航母、1艘战列舰、1艘巡洋舰和7艘驱逐舰，舰载机135架；第三航空战队（本文以下简称丙队）为前卫，由粟田健男中将指挥，共有3艘轻型航母、4艘战列舰、9艘巡洋舰和12艘驱逐舰，舰载机90架。甲乙两队在丙队后方约100海里处跟进。各部均以航母为核心排成环形队形。小泽计划利用日机作战半径大于美机的优势，与美军舰队保持一定距离，先以马里亚纳群岛的岸基航空兵攻击美军，再以航母舰载机从超远距离起飞，攻击完美军后在马里亚纳群岛机场降落，这样就能使日军舰队始终处在美军攻击范围之外。
表面上这是个不错的计划，但马里亚纳群岛上的绝大部分岸基航空兵已经被美军消灭，而岛上的日军为了面子没有如实将情况通报给小泽，小泽并不知道实情。
13日，美军“小银鱼”号潜艇就发现了从塔威塔威出发的小泽舰队。15日傍晚，“飞鱼”号潜艇发现刚驶出圣贝纳迪诺海峡的小泽舰队。15日深夜，“海马”号潜艇则发现了在苏里高海峡东南航行的宇桓舰队。斯普鲁恩斯接到上述潜艇的报告，知道日军至少有两支舰队正向塞班岛驶来，考虑到日军常采取分兵合击迂回包抄的战术，为确保登陆编队的安全，斯普鲁恩斯决定推迟对关岛的进攻，计划在关岛登陆的部队暂向东规避。16日斯普鲁恩斯与特纳商量了战局，确定以应付日军舰队的进攻为当务之急，并临时从登陆编队中抽调重巡洋舰5艘、轻巡洋舰3艘、驱逐舰21艘，加强航母编队的警戒力量。同时命令北上攻击硫磺岛的两个特混大队迅速返回，集中全力对付日军舰队。
14日北上的第一、第四特混大队15日、16日连续两天对硫磺岛及父岛、母岛进行了空袭，共击毁日机约130架，并严重破坏了这些岛屿的机场，美军只损失飞机4架，彻底消除了日军硫磺列岛地区的岸基航空兵协同小泽舰队夹击美军的企图。16日下午17时，第一、第四大队收回了出击的飞机开始南返，并于18日中午在提尼安岛以西150海里与第二、第三大队会合，当58特混编队的4个大队会合后，斯普鲁恩斯判断日军可能以航母舰载机先在美军飞机攻击距离之外发动空袭，然后到塞班岛和关岛机场降落加油挂弹，再飞回航母，中途还能再次对美军舰队进行打击，最后再以战列舰和巡洋舰实施炮火攻击。因此他决定组建一支由战列舰和巡洋舰组成的编队，部署在航母编队以西海域，构成第一道屏障。如果日机前来攻击，首先就会遭到该编队的防空炮火拦截，这样就可以转移对航母编队的攻击，减轻航母编队的压力；如果日军战列舰杀来，也必须先和该编队交锋，可以有效掩护航母编队，保存空中打击力量。17日14时，下达了这个作战计划，根据这一计划米切尔抽调快速战列舰7艘、重巡洋舰4艘和驱逐舰14艘，组成新的特混大队，由威利斯·李海军中将指挥，部署在最西侧海域。此时，58特混编队就变成了5个大队，共有15艘航母、7艘战列舰、24艘巡洋舰和74艘驱逐舰，航母舰载机共891架，加上战列舰、巡洋舰所搭载的水上飞机共计965架。18日下午，美军五个大队均呈环形防空队形，每个大队之间相距十二至十五海里，所有航母都与风向成90度，以便随时转向逆风起飞飞机或顺风接受飞机降落，至此美军已完成了临战准备。
但直到黄昏，派出的多架侦察机也没发现日军舰队，斯普鲁恩斯为防备日军从侧翼迂回攻击登陆滩头，特地指示米切尔不要远离马里亚纳群岛，白天西进，入夜后则东返。天黑后第58特混编队最远到达距塞班岛西南270海里处，仍未发现日军舰队，便掉头东返。深夜，珍珠港的美军无线电测向站根据侦听到的日军无线电信号，报告日军舰队在特混编队西南355海里。米切尔觉得应改变预定计划，乘着天亮前的几小时西进，以便将日军舰队纳入舰载机的攻击范围，次日拂晓发起攻击，马上将这一意图向斯普鲁恩斯请示。斯普鲁恩斯接到米切尔的请示，立即在旗舰的作战室召集参谋军官研究，尽管他也很想抓住这一战机，消灭日军的航母部队，但谨小慎微的他认为还是应该以保护登陆编队和登陆滩头为首要任务，而且日军舰队的具体确切位置，无线电测向与潜艇报告的还有出入，鉴于现在还无法确定，因此答复米切尔，在切实掌握日军舰队位置之前，暂不西进。这使得米切尔和特混大队的司令极为不满，但米切尔还是服从了。米切尔担心日军舰队和马里亚纳群岛的岸基航空兵实施两面夹击，虽然塞班岛机场已被美军登陆部队攻占，但关岛和罗塔岛的机场还有日军飞机，因此，米切尔先发制人于19日清晨出动飞机攻击这两岛屿上的日军机场，将正准备起飞的35架日机大部消灭，并破坏了机场设施，消除了腹背受敌的隐患。同时率领舰队向西南航行，随时准备攻击来犯的日军舰队，然而直到此时还未查清日军舰队的具体位置。
那么日军舰队在哪儿呢？实际上小泽从18日起就派出多架侦察机严密搜索，并于下午发现了美军舰队，只是因天色将黑，己方的飞行员多未接受过夜航训练，才没出动飞机，而是命令丙队向东，自己则率甲乙两支编队向南，在美军飞机作战半径之外过夜，等待次日天亮后再出击。19日日出前，小泽就先后派出了战列舰和巡洋舰所携带的44架水上飞机进行侦察，15分后，就数次接到发现美军舰队的报告。他知道日机没有美机的装甲防护和自封油箱，作战半径比美军大100海里，达300海里，现在正是进行超远距离穿梭攻击的大好机会，便下令攻击。
7时25分，日军第一攻击波丙队64架飞机在中本道次郎大尉指挥下出击，其中战斗机14架、鱼雷机7架、战斗轰炸机43架。9时，美军通过雷达在150海里外发现日机，米切尔命令甲板上待命的所有飞机起飞，战斗机前去拦截日机，轰炸机和鱼雷机则因为日军舰队在攻击距离之外只得向东规避到安全空域，美军共有250架F6F“恶妇”战斗机起飞迎战，上升到7600米高度由航母上的空中控制官引导接敌，在距航母70海里上空对日机进行居高临下的攻击，一举击落25架，美机仅损失1架。其余日机突破美机拦截攻击了美军的战列舰编队，只有“南达科他”号战列舰被命中一枚炸弹，死27人，伤23人。在美舰密集的高射炮火射击下，又有16架日机被击落，日机共损失41架，仅23架得以返回母舰。
8时05分，日军第二攻击波甲队128架飞机由深川静夫大尉为空中指挥，其中战斗机48架、鱼雷机27架、轰炸机53架。刚起飞，一架轰炸机就发现海面上有六条射向“大凤”号航母的鱼雷航迹，便按下机头将其中一条鱼雷撞毁。
就在日军第二攻击波机群起飞时，美军“大青花鱼”号潜艇突破了日舰的警戒圈，向“大凤”号航母齐射6.条鱼雷，有一条被刚起飞的轰炸机撞毁，由于“大凤”号正在组织舰载机起飞，无法进行规避，一条鱼雷命中右舷前部升降机附近舰。但经过有效的损管措施，“大凤”号仍能保持战斗航行，似乎并不在意这颗鱼雷。但航母所使用的婆罗洲原油挥发性很高，而鱼雷爆炸撕裂了输油管道，原油蒸汽慢慢从管道的裂口里挥发出来，在通风性极差的封闭机库里逐渐积聚，在中雷的6小时后，机库内积聚的原油蒸汽发生了大爆炸，火势迅速蔓延，甚至将装甲飞行甲板都烧得严重变形扭曲，继而全舰停电，大火又引爆了弹药舱，使得航母内部的大爆炸接二连三，小泽见情况不妙，先令“若月”号驱逐舰靠帮接下舰员，再改以“羽黑”号重巡洋舰为旗舰，“大凤”号于16时28分沉没，有1650名舰员随舰葬身大海。
从菲律宾海域跟踪小泽舰队的“刺鳍”号潜艇紧接着也突破了日舰的警戒，向“翔鹤”号航母发动了攻击，齐射了6颗鱼雷，3颗鱼雷直接命中，海水从炸开的破口汹涌而入，航母内部也燃起大火，并不时发生爆炸，舰体很快产生倾斜，14时10分沉没，有1271名舰员丧生。而“刺鳍”号随即遭到日军驱逐舰长达3小时的追踪，总共承受了105枚深水炸弹的攻击，“刺鳍”号凭借着灵活的机动，只受了轻伤，摆脱日舰攻击后返回塞班岛。
8时40分，日军第二攻击波机群经过前卫丙队时，被误为美机遭到射击，损失2架。
10时许，遭到了美机拦截，空战进入高潮，作战经验丰富的美军飞行员大开杀戒，“埃塞克斯”号航母的战斗机大队长麦坎贝尔中校身先士卒，率队向日机猛冲猛打，一举击落4架；“列克星顿”号航母的弗雷西尔中尉冲入日机机群，在60米的近距连连开火，仅耗弹360发就击落6架日机。在美机打击下，日机不断中弹坠海，甚至出现同时有15架飞机起火坠毁的壮观场面，一位美军飞行员在无线电里兴奋地大叫：“这真像古代的猎火鸡啊！”于是，这场激烈的海空大战就以“马里亚纳猎火鸡”而名垂青史！
日机约有20余架拼死突破了美机的拦截，飞临美军舰队上空时，又遭到了美舰的高炮火力射击，由于美军高射炮使用了新式的近炸引信，命中率很高，日机又有十余架被击落，最后只有6架飞机向美舰发动了攻击，“邦克山”号航母被两枚近失弹击伤，死3人，伤73人，升降机和机库供油管道被炸坏，并引起了大火，但被迅速扑灭；“黄蜂”号航母被一枚炸弹击中，死1人，伤12人；还有一架日机被击中后擦着李海军中将的旗舰“印第安纳”号战列舰的右舷坠入海中，使战列舰负了轻伤。日军这一攻击波，共损失飞机97架，其中轰炸机40架，鱼雷机24架和战斗机33架，另有2架轰炸机在返航途中因伤势过重而坠海，返回母舰的仅29架。