לאחר הקרב ספג ספרואנס ביקורת על החלטתו הזהירה במקום לנצל את העליונות ואת המודיעין שהיו ברשותו. בהחלטתו להימנע מתקיפה מוקדמת, טוענים מבקריו, הוא ויתר על ההזדמנות להשמיד לחלוטין את כוח המשימה היפני. עם זאת, ראוי להשוות בין זהירותו של ספרואנס (בעיקר בנושא הכוח המסיח) עם החלטתו של אדמירל ויליאם הלסי ארבעה חודשים מאוחר יותר, לצאת ולרדוף אחר כוח הסחה במהלך קרב מפרץ לייטה, ובכך הותיר את כוחות ההחפה האמריקאים על האי לייטה חשופים למתקפה יפנית. בנוסף, תוכנית הקרב השמרנית של ספרואנס, אף על פי שלא הביאה להשמדה מוחלטת של כוח המשימה היפני, למעשה הביאה להשמדת כוח התעופה הימי היפני על ידי חיסול רוב הטייסים המנוסים ומטוסיהם. ליפנים לא נותר זמן ומשאבים על מנת לבנות צי מטוסים חדש ואימון טייסים חדשים, וכך נותרו נושאות המטוסים היפניות משוללות כל יכולת קרבית אמיתית בכך שהפליגו ללא מטוסים על סיפוניהן. היפנים, שהשלימו עם גזרה זו, השתמשו מאוחר יותר בנושאות המטוסים ככוח הסחה בקרב מפרץ לייטה. לאחר חיסול הזרוע ההתקפית החזקה ביותר שלהם, נאלצו היפנים להישען יותר ויותר על טייסי הקמיקזה שלהם כניסיון אחרון למנוע את ההשתלטות המוחלטת של הצי האמריקאי על האוקיינוס השקט.
הקרב.
פעולות ראשוניות.
בשעה 05:30 ב-19 ביוני, פנה כוח משימה 58 צפונה ושיגר את מטוסי הסיור שלו. בשלב זה כבר המריאו מטוסי הסיור היפנים, חלקם מבסיסים בגואם, ובשעה 05:50 זיהה מטוס קרב יפני מדגם A6M זירו את כוח משימה 58. לאחר דיווח מיקום כוח המשימה תקף הטייס את אחת המשחתות האמריקאיות והופל.
בעקבות הדיווח החלו להתארגן בגואם שאר המטוסים לתקיפה, אך אונייה אמריקאית זיהתה אותם במכ"ם וטייסת מטוסי F6F הלקט המריאה מנושאת המטוסים בלו ווד על מנת לנטרלם. המטוסים האמריקאים מצאו את המטוסים היפנים על מסלול ההמראה. תוך דקות נוצר קשר מכ"ם נוסף שהתברר כמטוסים יפניים נוספים שנשלחו מצפון. התפתח קרב אווירי גדול שבמהלכו יורטו 35 מטוסים יפניים ונמשך כשעה לאחר שנקראו מטוסי ההלקט לשוב לנושאות המטוסים.
הפשיטות היפניות.
המטוסים האמריקאים נקראו לשוב לנושאות המטוסים לאחר שמספר אוניות מכוח משימה 58 זיהו בשעה 10:00 את גל התקיפה הראשון של מטוסים יפנים - שמנה 68 מטוסים - כ-240 ק"מ מערבית להם. נושאות המטוסים שיגרו את כל מטוסי הקרב שיכלו, ועד שהמריאו כולם היו היפנים במרחק של 110 ק"מ מכוח המשימה. בשלב זה עצרו הטייסים היפנים את התקדמותם והתארגנו מחדש למבנה תקיפה. עיכוב זה איפשר לטייסי ההלקט האמריקאים לסגור את המרחק אל המטוסים היפנים, והמגע הראשון בין שני הכוחות האוויריים אירע בשעה 10:36, עדיין מרחק של 110 ק"מ מכוח משימה 58. תוך דקות הגיעו טייסות אמריקאיות נוספות ו-25 מטוסים יפנים הופלו לעומת מטוס אמריקאי אחד.
המטוסים היפנים שהצליחו להתחמק מטייסת ההלקט נתקלו בהמשך במטוסים אמריקאים נוספים, שהפילו 16 מטוסים יפנים נוספים. המטוסים השורדים ערכו התקפה על המשחתות ירנל וסטוקהאם, אך לא הסבו להן נזק רב. שלושה או ארבעה מפציצים הצליחו לחמוק מבעד לחגורת ההגנה האמריקאית ואחד מהם הצליח לפגוע ישירות באוניית המערכה דרום דקוטה ולגרום לאבדות רבות, אך לא לנטרלה. אף לא מטוס יפני אחד הצליח להגיע לנושאות המטוסים האמריקאיות.
בשעה 11:07 איתרו האוניות האמריקאיות גל התקפה נוסף וגדול בהרבה. גל זה הכיל 109 מטוסים. הפעם ירטו אותם הטייסים האמריקאים במרחק של 97 ק"מ מהכוח, ולפחות 70 מהם הופלו עוד בטרם הגיעו לאוניות. שישה מטוסים תקפו את השייטת של מונטגומרי תוך שהם מסבים אבדות ונזק לשתי נושאות מטוסים, אך ארבעה מתוכם הופלו לבסוף. קבוצה קטנה של מפציצי טורפדו תקפה את אנטרפרייז, אך לא השיגה פגיעה ישירה, ושלושה מפציצי טורפדו נוספים תקפו את פרינסטון, אך הופלו כולם. בסיכומו של דבר, מתוך 109 המטוסים שהרכיבו את הגל השני הופלו 97.
הגל השלישי -שמנה 47 מטוסים - הגיח מצפון. 40 מטוסי קרב אמריקאים ירטו את הגל בשעה 13:00, כ-80 ק"מ מכוח המשימה. בתחילת הקרב הופלו שבעה מטוסים יפנים, אך חלק הצליחו לחמוק מבעד להגנה ותקפו את האנטרפרייז. בגל זה לא התאמצו היפנים לבצע את משימתם, ועל כן כמות האבדות בגל זה נמוכה יותר בהשוואה לגלי התקיפה הקודמים - 40 מטוסים יפניים הצליחו לשוב לנושאות המטוסים שלהם.
גל התקיפה הרביעי המריא בין השעה 11:00 ל-11:30, אך לטייסים ניתן מידע שגוי בנוגע למיקום כוח המשימה האמריקאי, ולכן לא הצליחו לאתרו. בשלב זה התחלק הגל לשתי קבוצות שפנו לגואם ולרוטה לצורך תדלוק. הקבוצה שעשתה דרכה לרוטה נתקלה בשייטת של מונטגומרי, אך במהלך הקרב שהתפתח הופלו כמחצית מהמטוסים היפנים. כוח קטן של מפציצי צלילה הצליח לחמוק מבעד לחגורת ההגנה האווירית ותקף את נושאות המטוסים ואספ ובאנקר היל, אך לא עלה בידו להסב נזק ושמונה מהמטוסים הופלו. הקבוצה השנייה הייתה בדרכה לגואם כשיורטה על ידי מטוסי הלקט בעת שנחתו בשדה התעופה. שלושים מתוך 49 המטוסים היפנים הופלו והשאר יצאו מכלל שימוש.
בשל המספר הרב של מטוסים יפנים שיורטו, זכה הקרב בקרב אנשי הצי האמריקאי לכינוי מטווח תרנגולי ההודו הגדול של איי מריאנה.
מתקפת צוללות.
בשעה 08:16 איתרה הצוללת האמריקאית "אלבקור" את נושאות המטוסים של אוזאווה, ותקפה את נושאת המטוסים הקרובה ביותר אליה, הטאיהו, שהייתה נושאת המטוסים הגדולה והחדשה ביותר בצי היפני וספינת הדגל של אוזאווה. בשל תקלה במערכת הנשק של הצוללת נאלץ מפקד הספינה לשגר את הטורפדו "לפי העין", וארבעה טורפדו החטיאו את המטרה.
בשלב זה הייתה טאיהו במהלך שיגור 42 מטוסים כחלק מגל התקיפה השני, ואחד הטייסים שהמריאו ממנה זיהה את אחד משני הטורפדו שעשו דרכם לכיוון נושאת המטוסים וריסק את מטוסו לנתיב הטורפדו, אך הטורפדו השני פגע באונייה בצידה הימני ופער חור בשני מכלי דלק מטוסים. תחילה לא נראה הנזק רציני.
צוללת נוספת, "קוואלה", הצליחה להגיע לעמדת ירי על נושאת המטוסים שוקאקו בשעת הצהריים. הצוללת שיגרה מטח של שישה טורפדו, מתוכן פגעו בנושאת המטוסים שלושה והביאו לעצירתה. אחד מהטורפדו פגע במכל דלק המטוסים בסמוך להאנגר הראשי ומטוסים ששהו בו באותה עלו בלהבות. הימצאות תחמושת ופצצות בהאנגר תרמה לגודל הפיצוץ, כמו גם דליפת הדלק מהמכל השבור. כשהחלה הספינה לשקוע והלהבות יצאו מכלל שליטה, נתן הקפטן את הפקודה לנטוש את הספינה. לאחר פגיעת הטורפדו החלו להתפשט ברחבי הספינה אדי דלק, וכשמפציץ אמריקאי הטיל את פצצתו על סיפון ההאנגר הרעידה את הספינה כולה סדרה של פיצוצים עזים, שקרעה חלקים מנושאת המטוסים הספינה התהפכה וטבעה, עימה 887 אנשי צוות ו-376 אנשי צוות אוויר, בסך הכל 1,263 אנשים. מתוך 570 השורדים נמצא מפקד נושאת המטוסים קפטן הירושי מטסובארה.
באותה עת, נפלה טאיהו קורבן לליקויי בקרת נזקים. לפי פקודת קצין בקרת נזקים חסר ניסיון, פעלה מערכת האוורור של הספינה במלוא העוצמה מתוך כוונה לאוורר את המדורים מאדי הדלק שהתפזרו בהם. אך התוצאה הייתה הפוכה, ומערכת האוורור פיזרה את אותם אדים בכל הספינה. בשעה 17:32 הרעידה את נושאת המטוסים סדרת פיצוצים שנגרמו מניצוץ שנוצר באחד הגנרטורים של הספינה. מתוך 1,751 אנשי צוותה, נהרגו 1,650.
התקפת הנגד האמריקאית.
במהלך הלילה הפליג כוח משימה 58 מערבה על מנת לפגוש ביפנים, ומטוסי סיור המריאו מנושאות המטוסים עם אור ראשון.
לאחר טביעת טאיהו העביר אוזאווה את דגלו למשחתת "ואקאטסוקי", אך ציוד הקשר שעל המשחתת לא הספיק לפיקוד על השייטת היפנית, ואוזאווה עבר פעם נוספת, הפעם לנושאת המטוסים זואיקאקו בשעה 13:00. בשלב זה למד אוזאווה על תוצאות הקרב של יום האתמול והבין כי נותרו לו רק 150 מטוסים. אף על פי כן, הוא החליט להמשיך ולתקוף, בחושבו שישנם עוד מאות מטוסים ברוטה ובגואם, והחל לתכנן מתקפה נוספת ל-21 ביוני.
מטוסי הסיור האמריקאים לא הצליחו לאתר את הכוח היפני עד 15:40, אך הדיווחים היו כה סותרים כך שמיצ'ר לא ידע מה זיהו טייסיו והיכן. בשעה 16:05 התקבל דיווח ברור ומיצ'ר החליט לתקוף, אף על פי שנותרו עוד 75 דקות עד השקיעה, וטייסיו לא טסו בלילה מחשש לתאונות נחיתה. ההתקפה החלה ב-18:30.
כנגד המטוסים האמריקאים יכול היה אוזאווה לשלוח לא יותר מ-35 מטוסים, אך עדיין היה לרשותו מערך הנ"מ של אוניותיו. גל התקיפה האמריקאי, לעומת זאת, מנה 550 מטוסים.
הספינות הראשונות שאיתרו הטייסים האמריקאים היו מכליות, ושתיים מהן יצאו מכלל שימוש. נושאת המטוסים "היו" ספגה מספר פצצות וטורפדו, ועלתה בלהבות לאחר התלקחות אחד ממכלי דלק המטוסים שבה. תוך זמן קצר שקעה נושאת המטוסים ועימה 250 אנשי צוות. שאר הצוות, כאלף איש, שרד ונאסף על ידי משחתות יפניות. נושאות המטוסים זואיקאקו, ג'וניו וצ'יודה ניזוקו בהתקפה, כמו גם אוניית המערכה הרונה, ו-20 מטוסים אמריקאים יורטו במהלך הקרב.
בשעה 20:45 החלו לשוב המטוסים האמריקאים אל נושאות המטוסים. על מנת לסייע בידי טייסיו למצוא את ספינותיהם, הורה מיצ'ר על נושאות המטוסים להדליק את כל האורות על הסיפון, ובהם גם זרקורי חיפוש, תוך נטילת הסיכון של התקפה מידי צוללות יפניות או מטוסים. משחתות שיגרו אף נורים על מנת לעזור לטייסים למצוא את דרכם. למרות כל מאמצים אלה אבדו 80 מטוסים, חלקם בהתרסקות על מסלולי הנחיתה ורובם בהתרסקות לים, אך צוותי המטוסים נאספו בימים שלאחר מכן.
תוצאות הקרב.
באותו לילה קיבל אוזאווה פקודה מטויודה לסגת מים הפיליפינים. האמריקאים רדפו אחרי השייטת היפנית אך לא השיגו אותה.