日军第三攻击波乙队49架飞机，其中战斗轰炸机25架、战斗机17架、鱼雷机7架，由石见丈三少佐担任空中指挥。起飞后，有16架战斗轰炸机和4架战斗机与大队失散随后自成一队向目标海域飞去，一直飞出350海里也未找到美舰，于14时返回母舰。石见率领的其余飞机在途中接到母舰通报美军舰队新位置，但飞抵新位置后没有发现，就再转向旧目标位置，结果与美军约40架战斗机遭遇，双方随即展开空战，日军有5架战斗轰炸机、1架鱼雷机和1架战斗机被击落，并失去了攻击美军舰队的战机，只得返回母舰。
10时15分，乙队出动了50架飞机，其中轰炸机27架、战斗机20架、鱼雷机3架，在目标海域没有发现美舰，便按计划飞往关岛降落，在关岛将要着陆时遭到了美机的攻击，日军14架战斗机、9架轰炸机和3架鱼雷机被击落，降落在关岛的日机，机场跑道因美军轰炸而被严重破坏，所以在着陆时受到很大损失，几乎没有一架不受伤，因而无法再次起飞参战。
10时20分，甲队出动18架飞机，其中轰炸机10架，鱼雷机和战斗机各4架，途中遭到美机有力拦截，被击落轰炸机8架、鱼雷机1架，另有1架鱼雷机因伤势过重于返航途中坠海。
10时30分，乙队再度派出9架轰炸机和6架战斗机，到达目标海域没有发现美军，便在附近进行搜索，结果终于找到了美军的第二航母大队，立即实施攻击，美军“邦克山”号航母被一枚炸弹击中，所幸损伤轻微，日机则在美舰猛烈高炮火力下，损失了5架轰炸机和4架战斗机。日军距离美军最近的丙队，忙于回收返航的飞机，没有出动飞机。
日军在这四次攻击中，总共损失192架，而在关岛降落的飞机也大多被击毁，航母上的舰载机只剩102架，其中战斗机44架、战斗轰炸机17架、轰炸机11架和鱼雷机30架。小泽并不知道战争的结果，率领舰队向北航行，后又转向西北航行，并进行海上加油，准备次日再战。
由于“羽黑”号巡洋舰的通信系统较弱，小泽于20日12时再改以“瑞鹤”号航母为旗舰。
美军挫败了日军的四次攻击，回收了出动的飞机之后，天色已晚。斯普鲁恩斯知道美军已经胜券在握，日军迂回攻击塞班岛登陆滩头的可能已不复存在，指示米切尔夜间可组织侦察机搜索，一旦确实掌握日军舰队位置，明晨即可发起攻击。20日天亮后，米切尔指挥舰队一面西进一面出动飞机进行搜索，但直到中午，仍未发现日军舰队。米切尔知道美军舰队航速为24节，日军舰队航速仅18节，直到现在没有发现日军，肯定是追击的航向不对，便改为向西北追击，下午16时许，才有一架飞机报告在西北约220海里发现日军舰。这可令美军犯难了。距离远不说，而且出击飞机返航时天色肯定全黑了，美军大部分飞行员还没有进行过夜间着舰训练，但如果现在不出击，等待次日天亮再出动，就将失去战机，米切尔思考一番后，决心立即出击！
16时20分，美军航母转向逆风组织舰载机起飞，地勤人员行动极其迅速，在10分钟里就有216架飞机升空，其中战斗机85架、轰炸机77架、鱼雷机54架。由于航程较远，所有战斗机和轰炸机都携带了机腹副油箱。航母在舰载机起飞后，恢复西北航向全速前进，以尽量缩短舰载机返航的距离。
17时30分，美机先发现了日军的补给船队，部分美机立即进行了攻击，击沉了日军“玄洋丸”和“清洋丸”两艘油船，击伤了“速吸”号油船。其余美机继续向西，很快发现了日军舰队，便展开攻击。
小泽早在16时就知道美军航母编队正在后面进行追击，便停止海上加油，全速向西北撤退，并以部分水面舰只组织了一支断后编队，向东航行，担负掩护。随后将舰队残存的75架战斗机尽数派出，进行空中掩护，同时三个编队相互靠拢，缩小间距，以便发扬护航军舰的防空火力。
美机临空后，先与空中的日军战斗机发生空战，尽管日机数量上、性能上以及飞行员素质上都比美军差，被击落40余架，仍相当顽强拼死苦战，协同水面舰只的防空火力击落美机20架，美机突破日机空中拦截后，对日军舰队进行了猛烈攻击，击沉了“飞鹰”号航母，击伤了“瑞鹤”号、“隼鹰”和“千代田”号航母、“榛名”号战列舰和“摩耶”号巡洋舰。
20日晚8时46分小泽接到丰田的撤退命令，便率领机动舰队本队向中城湾撤退，而掩护本队撤退的断后编队，因敌情不明夜战无望，小泽命其停止东进，也向西北撤退。此时，日军舰队的舰载机仅剩35架，战列舰和巡洋舰上的舰载水上飞机也仅剩12架，几乎丧失了战斗力。
至此，这场有史以来规模最大的航母间海战就落下了帷幕。日军将此次海战称为“马里亚纳海战”，美军则称为“菲律宾海海战”，海战中，美军仅2艘航母、2艘战列舰和1艘巡洋舰受轻伤，无一艘军舰沉没，舰载机损失117架。日军被击沉航母3艘、油船2艘，被击伤航母3艘、战列舰、巡洋舰和油船各1艘，舰载机损失404架，占全部舰载机的92%；岸基飞机损失247架，几乎全军覆没；此外日军出动的36艘潜艇也被击沉20艘。
■ 塞班岛战役
塞班岛是马里亚纳群岛的第二大岛，长约21公里，宽4公里至8公里不等，面积约184平方公里。日军在塞班岛上建有三个机场，南面的阿斯利洛机场始建于三十年代，经过扩建，现可起降任何机型的飞机，是岛上的主要机场。附近的恰兰卡诺阿机场是简易机场，只能起降小型飞机。北面的马皮机场，跑道较短，作为战斗机紧急着陆的备降机场。
塞班岛不仅是日军在马里亚纳群岛的中心岛屿，还是中太平洋地区的防御核心，其陆军第31军军部和海军中太平洋舰队司令部都设在该岛。从1944年春起，日军就开始向塞班岛增派部队，加强防御力量。美军登陆前夕，日军在塞班岛上兵力是陆军步兵第43师团、步兵独立混成第47旅团、工兵独立第7联队、坦克第9联队、山炮独立第3联队和高炮第25联队等部，共2.8万人，火炮211门，坦克39辆。海军有第5水警区的第55警备队和横须贺第1海军陆战队等部，共1.5万人，火炮49门，坦克10辆，合计总兵力4.3万，火炮260门，坦克49辆。
美军进攻塞班岛的部队是由霍兰·史密斯中将任军长的海军陆战队第5军，所辖基本部队为陆战2师和陆战4师，共7.1万人。担负运输和直接支援的舰船有7艘战列舰、7艘护航航母、11艘巡洋舰、41艘驱逐舰、30余艘扫雷和反潜舰艇、110余艘登陆舰艇、30余艘运输舰，共240余艘舰船。陆战第5军和这些舰艇合编为北部登陆编队，由特纳中将指挥。
5月29日和30日，北部登陆编队分两批从夏威夷先后出发，6月7日和8日到达埃尼威托克补充燃料和淡水，然后继续向塞班岛航行。
6月15日凌晨，北部登陆编队到达塞班岛海域。担负舰炮火力支援的战列舰、巡洋舰和驱逐舰对日军阵地进行猛烈炮击；护航航母起飞的70余架飞机对日军防御工事实施航空火力压制；编在登陆艇队中的炮艇以40毫米火炮实施伴随火力支援；两栖坦克则在履带登陆车队的两翼和中间，扫清日军障碍，掩护履带登陆车上岸。
8时44分第一批部队抵岸，但日军炮火非常凶猛，履带登陆车难以开上指定地点，只得在水线附近卸下所载人员，仅8000人上陆。由于美军登陆前的炮火准备不够充分，日军很多的火力点正猛烈轰击滩头上的美军，这使得美军的进展非常迟缓。更严重的是在陆战2师和陆战4师之间出现了宽达900米的空隙，这是因为陆战2师在突击上陆时遇到了强烈的潮汐，航向出现了偏差所致。按照计划，美军在登陆当天，应该占领滩头后方约两公里的丘陵地带，但在日军激烈抵抗下，推进最远的陆战4师二十三团到达了菲纳苏苏山，却被山上日军猛烈炮火压制，只得又后退了百余米，至天黑时，美军虽然登陆的部队已有两万余，伤亡2000余，夺取的登陆场却只有计划的一半，难以形成有效的防御态势。
当晚，日军以36辆坦克掩护1000多步兵发动了夜袭，企图将美军一举赶下海。美军对此早有防备，照明弹一发接一发，将夜空照得如同白昼，日军的反击刚开始就被发现，美军随即召唤舰炮火力支援，在猛烈密集的舰炮射击下，日军白白损失700余人，偷袭失败。
6月16日，斯普鲁恩斯与特纳、史密斯商议后，决定第58特混编队先迎击日军舰队，以保证登陆作战的顺利实施，预备队第27师部队立即投入作战。原本打算6月18日进攻关岛的计划也先暂缓进行，把进攻关岛的南部特混编队部分军舰加入第58特混编队迎击日军舰队，部分军舰则加入支援塞班岛的北部特混编队；登陆部队和登陆舰艇、运输舰船则退往埃尼威托克礁湖，作为留船预备队待命。这样一来，登陆部队的实力大大增加了。
16日深夜到17日凌晨，日军又以44辆坦克和500人发动夜袭，结果遭到了沉重打击，坦克被全部消灭，步兵也损失大半。
6月17日，美军以护航航母舰载机、舰炮、坦克和地面火炮支援地面部队发动攻击，进展很快，登陆场扩大了一倍，恰兰卡诺阿机场也被攻占。斋藤见两次夜袭均告失利，知道已无法将美军赶下海，只好改变战术，命令岛上部队依托有利地形进行坚强防御，并调提尼安岛部队前来支援，可美军完全控制了塞班岛与提尼安岛之间的海域，援军在航行途中就被美军驱逐舰所消灭，根本无法到达塞班岛。
6月18日，美军继续发展进攻，夺下了最大的机场——阿斯利洛机场，两天后陆战队的战斗机就开始进驻该机场。斋藤已经放弃机场将守军撤到了纳富坦角，准备持久防御。深夜，日军从塞班岛西海岸中部的塔那巴戈港出动13艘驳船，运载一支部队，企图实施反登陆，但路上就被美军驱逐舰发现并消灭。这时，斋藤终于意识到美军实力强大，重新调整部署，依托岛上最高峰塔波乔峰组织防线。
6月19日，美军第27师向东海岸步步进逼，将日军压缩到纳富坦角附近狭小地区。陆战4师也推进到楚楚兰村，占领了斋藤以前的指挥所。而美国海军在马里亚纳海战中的辉煌胜利，彻底消除了日本海军对塞班岛的海上增援，塞班岛日军已经陷入了孤立无援的境地。而且第58特混编队可以毫无后顾之忧全力支援陆上作战。
6月20日，陆战第5军军长史密斯正式接过陆上作战的指挥权，特纳全力负责组织物资的卸载，以保障登陆部队的后勤供应。
日军大本营千方百计组织对塞班岛的增援，但都因美军的严密封锁无法前往塞班岛，为此，日军的增援企图终告破灭。
6月22日，史密斯将塞班岛上的美军部署调整完毕，陆战2师在左，陆战4师在右，步兵第27师以一个营肃清纳富坦角日军残部，主力居中，三个师齐头并进，肩并肩向前推进。早晨6时，美军第52和第58特混编队的所有军舰、舰载机和18个地面炮兵营的火力一起向日军阵地实施火力准备，弹如雨下，地动山摇，在前所未有的炮火支援下，两个陆战师首先发起了攻击，至傍晚，陆战2师推进到了塔波乔峰西侧山坡下，陆战4师到达了马基奇思湾北岸，形成了对塔波乔峰的夹击之势。
6月23日，第27师也加入了战斗，三个师从西、南、东三面攻击塔波乔峰，但27师师长拉尔夫·史密斯少将担心部队在夜间行军迷失方向，所以22日夜间没有及时出发，结果23日拂晓发动总攻时，27师第一梯队的三个突击营都无法按预定时间发起攻击，直接影响了对塔波乔峰的总攻。全师拖了全局的后腿。
为此，史密斯军长与斯普鲁恩斯和特纳商议后，撤换了27师师长，由塞班岛驻军司令桑德福特·贾曼陆军少将在新师长到来之前代理指挥，这引起了陆军的强烈不满，引发了陆海军之间的争执。但随后，27师攻击也变得雷厉风行，战况开始好转。
6月26日，经过数天的激战，美军终于攻下了最高山峰——塔波乔峰。接着向地形比较狭窄的北部地区继续猛攻。
6月30日，斋藤在美军越来越大的压力下，率余部退至塔纳帕格村一线的“最后抵抗线”，负隅顽抗，做最后的垂死挣扎。
7月3日，陆战二师占领加特潘角和木特乔，这两地经过异常惨烈的战斗，已经成为一片废墟。
7月4日，二十七师攻占了福劳里斯角水上飞机基地，将残余日军压缩至东北角的狭小地域，至此日军的最后防线终于被突破，守军大部被歼。
7月6日，斋藤和南云向东京大本营发出了最后的诀别电，然后将岛上残余的5000官兵集中起来，部署了最后的决死攻击。当晚斋藤剖腹自杀，南云则用手枪结束了自己的生命。
7月7日4时45分，5000多日军突然发起了进攻，军官挥舞着武士道军刀，身先士卒带头冲锋，士兵们有枪的带枪，没枪的拿着刺刀和棍棒，甚至头裹绷带、手拄拐棍的伤员也一瘸一拐地冲上来，全然不顾美军的射击，日军从27师两个营的空隙间突入美军战线，美军105团一个营在日军的疯狂冲锋下溃散，该团另两个营则遭到了己方炮火的误击，损失惨重，战斗持续了数小时，美军将后方勤杂人员也编入战斗部队，投入战斗，终将日军这次丧失理智的自杀冲锋粉碎，美军伤亡很大，而日军在美军阵地前遗留的尸体就有4300具。至此，日军有组织的抵抗结束。
在塞班岛登陆战役中，美军阵亡3400余人，伤1.31万人。日军守备部队中4.1万人阵亡，其中陆军2.61万人，海军1.5万人，被俘2000余人。此外还有2.2万平民，几乎占全岛居民的三分之二丧生。
■ 关岛战役
关岛是马里亚纳群岛中面积最大的岛屿。1898年起被美国占领，只被作为美国本土至菲律宾航线的中途补给站，几乎不设防。1941年被日军占领时，岛上只有数十名保护总督府的海军陆战队员。
日军在关岛建有三个机场，其中第三个机场尚未竣工。马绍尔群岛失守后，日军才开始加强关岛的防御，日军对关岛的增援比塞班岛成功多了，大批援军和物资运上了关岛。
关岛的守军是陆军步兵第29师团、第48独立混成旅团、第10独立混成联队、第52高炮大队以及海军第54警备队，共两万余人，火炮二十余门，坦克四十余辆，由第29师团长高品彪中将统一指挥。