雖然美軍潛艦在6月17日與18日都發現了日軍艦隊行蹤，但第58特遣艦隊卻無法在19日發現日軍位置，於是為避免遭到穿梭轟炸的危險，第58特遣艦隊派出轟炸機全力轟炸關島。另一方面，由於偵察機在航程上的優勢，日軍很早就鎖定了美軍特遣艦隊的位置，遂在19日發動四波共計324架飛機前去攻擊美軍。依靠人員素質與雷達技術的绝对優勢，美军戰鬥機與防空火力成功擊退了强大的日軍攻势，击落日机191架，而美军舰队损失极为轻微，飞机仅損失29架。美軍於20日發現日軍艦隊位置後，發動以216架飛機组成的攻击波。在攻擊中，美军擊沉飛鷹號轻型航空母舰，击伤了瑞鶴號航空母舰和隼鷹號及千代田號2艘轻型航母，並擊落50架日機。美機在戰鬥中損失20架，但歸艦時因已入夜，在混亂中反而損失了80架飛機。由於米切尔不顾遭到敌人潜艇攻击的危险，下令打开舰队的航行灯，因此拯救了許多飛行員與飛機。此役美方稱為菲律賓海海戰，除一舉奪得西太平洋的制海權外，也讓日海军的航空战斗力從此一蹶不振。