1944年（昭和19年）3月1日第一機動艦隊兼第三艦隊司令長官。6月、マリアナ沖海戦で指揮。小沢は旗艦に軍楽隊を乗せていったほど勝利を信じていた。652空飛行隊長として出撃した阿部善朗大尉は、甲板を散歩する小沢はいかにも頑固そうで尊大ぶった印象で航空部隊の運用についてどれほど勉強したか、飛行隊の実情をどこまで把握しているのか疑問に感じたという。