与斯普鲁恩斯相反，第58特遣舰队却在“等待”着日军发起攻击。米切尔把他的兵力分散到了五个环形编队中，编队中的战列舰和驱逐舰均前向部署，以便用防空火力摧毁来袭的飞机。美军的航母编队在距关岛和塞班岛约100英里（160千米）的外海呈半圆形展开。
猎火鸡大赛
小泽并没有集中力量发起攻击，而是把他手头上的兵力分成了四个波次。6月19日黎明时分，日军的第一攻击波起飞了。小泽的意图是让他的舰载机在完成对美军航空母舰的打击后降落在陆地上重新加油，然后在返回航空母舰的途中再次打击美军。
当天上午10点之前，第58特遣舰队的雷达捕捉到了来袭的机群，并起飞了其首批“地狱猫”战斗机迎战敌军。与此同时，俯冲轰炸机突袭了关岛的机场，因此日本人的飞机便无法在那里降落了。
非常著名的一张关于马里亚纳海战的照片：一架试图攻击“基特昆湾”号护航航空母舰的日军飞机被击中坠落，空中弥漫着硝烟和高炮炮弹爆炸形成的烟团
美军舰艇上的炮手和“地狱猫”战斗机很快就解决掉了日军的第一攻击波。差不多在10点到11点这一个小时之内，美军的雷达屏幕上就显示天上已经没有敌机了。小泽对发生的事情一无所知，他认为日军的许多飞机已经降落在关岛，并且这些飞机和日军的陆上飞行部队已经给美军的战舰造成了巨大的损失。于是，小泽相继在上午11点、下午1点和下午2点发起了后续的攻击波次。在日军起飞的374架飞机中，只有130架返航，未返航的当中大多数是被“地狱猫”击落的。日军另有50架以关岛和附近的罗塔岛为基地的飞机被击落，但这远不是结束。
美军飞行员并没有飞抵日军舰队上空，但美军潜艇却击沉了2艘日军航母，这2艘日军航母带着上面搭载的22架飞机沉到了海底，这导致小泽当天的飞机损失数量超过了300架。“地狱猫”战斗机飞行员大卫•麦坎贝尔（David McCampbell）少校击落了7架敌机，在他成为二战期间美国海军头号王牌的道路上又迈进了一大步。与日军损失形成鲜明对比的是，美军仅损失了25架“地狱猫”。
“列克星敦”号航空母舰上的一位空勤人员说，这一天像极了一场“以前的猎火鸡大赛”，于是后来人们便用“马里亚纳猎火鸡”这一绰号来称呼当天的战斗了。
美国海军的亚历山大•弗拉丘（Alexander Vraciu）少尉正伸出六根手指表示他在“马里亚纳猎火鸡”期间获得的战果，照片摄于“列克星敦”号航空母舰的甲板上
到6月19日晚上9点，丰田副武向小泽拍发了一条电报，指示后者撤退。午夜时分，日军机动舰队已经撤到了距离关岛460英里（740千米）的地方，距离第58特遣舰队约320英里（515千米）。
追击残敌
6月19日夜，就在日军已经开始撤退的时候，斯普鲁恩斯指示米切尔，如果获得了足够准确的日军舰队位置的话，那么便在第二天发起追击和攻击。米切尔留下了一些航空母舰用于塞班岛的防空，并将剩下的兵力投入到了追歼小泽舰队的任务之中。
几乎是在6月20日下午4点左右，美军的侦察飞机发现了日本舰队并发回了一份意义含混不清的电报，电报称日军舰队位于美军舰队西北方约270英里（约450千米）处，且处在美军飞机作战半径的边缘上。
米切尔起飞了第一批216架飞机，包括战斗机、俯冲轰炸机和鱼雷攻击机。就在他正准备起飞第二波飞机时，他发现日军舰队比他所认为的还要远60英里（96千米）。他取消了第二攻击波，但并未召回第一波飞机，尽管额外的这段距离意味着他们在返航时将被迫在黑暗中降落。
这波美军飞机突入了日军舰队上空，并在短时间内击沉了1艘航空母舰和2艘油船，并击落了80架飞机。美军在战斗中损失了17架飞机。
在菲律宾海海战期间，一艘正在被美军飞机痛击的日军航空母舰（画面中央）
对某些来自第58特遣舰队的飞机而言，它们此时距离其航空母舰足足有300英里（480千米）远，当它们在晚上10点30分左右返回航母时，天已经一片漆黑了。他们中的许多人已经无法飞回原来的航空母舰了，因为他们的油箱在飞抵之前就已经烧空了。共有82架飞机因燃料耗尽而在海上迫降，不过几乎所有的飞行员最后都获救了。
为了帮助这些飞行员降落，米切尔让那些航空母舰打开了助降的灯光，这是有风险的，因为如果周围有潜伏的敌人的话，那么这些灯光会让美军的航母成为绝佳的攻击目标。
对日军在这两天的战斗中的损失有不同的估计，有的估计中包括了坠毁的飞机或随航母一同沉没的飞机。海军历史学家威廉•亚布拉德（William T. Y’Blood）的统计结果是日军损失了476架飞机和450名飞行员，这一数字被广泛接受，并被视为权威说法。
美军登陆部队于7月18日拿下了塞班岛，8月1日拿下了提尼安岛，8月10日拿下了关岛。在东京，日本首相东条英机的内阁在塞班岛落入美军之手的当天宣布倒台。在塞班岛的一个山洞里，南云忠一中将自杀身亡。
饱受批评的斯普鲁恩斯
尽管小泽的飞机被打得只剩下34架了，但他的大部分军舰还在，其中就包括6艘航空母舰。美军飞行员几乎是顷刻之间就爆发出了抗议的声音，即斯普鲁恩斯白白把日军舰队放跑了。
菲律宾海海战中遭受攻击的日军第1机动舰队
设在珍珠港的美国海军航空兵总部的观点是：“这是将非飞行员出身的人安排到航空母舰（指挥岗位）上的结果。”在战斗中指挥过4艘航空母舰的约瑟夫•“约克”•克拉克（Joseph J. “Jocko” Clark）海军少将甚至说，如果美军在马里亚纳海战中取得了更具决定性的胜利的话，那么太平洋战争“在短短几天之内就会结束”。
马里亚纳海战期间遭受美军攻击的日军舰队
时任太平洋舰队副司令，同时也是美军现役最资深的海军飞行员的约翰•塔沃斯（John H. Towers）海军上将要求尼米兹解除斯普鲁恩斯的职务，理由是后者“不胜任”。尼米兹无视了他的要求。不久之后，金上将对斯普鲁恩斯坚持自己的基本职责表示了赞扬。当金上将在战斗结束后来到塞班岛时，他告诉斯普鲁恩斯说：“你在战斗中干了一件相当漂亮的事。别管别人对你说什么，你的决定始终是正确的。”