雙方海軍都派出潛艇進入菲律賓海，但只有美軍潛艇發現並對日艦發起攻擊。此外，這些潛艇還進行了大量的偵察活動。1944年6月18日下午，日軍偵察機首先發現美軍航母，但此時的米切爾仍未獲知日軍航母的準確位置。翌日早晨，米切爾意識到自己艦隊此時很容易遭到日軍攻擊，於是命令所有戰鬥機做好準備——或做好空中戰鬥巡邏準備，或在甲板上列隊隨時準備起飛。
直到10時，駐關島日軍飛機發起首次襲擊，日軍航母也派出更多的飛機前來增援。在激烈的空戰中，襲擊美國第5艦隊的69架日軍飛機只有24架生還。日軍下一波襲擊出動了130架飛機，其中98架被擊落。然後，日軍又發起4輪艦載機攻擊，但米切爾早已料到日軍來襲，他已經在艦前50英里處部署了戰鬥機。結果，日軍再次遭受嚴重損失，那些僥倖避過戰鬥機攻擊的飛機，也被航母的防空炮火擊中。 只有大約20架飛機得以擊中美軍“南達科他”號、“黃蜂”號和“邦克山”號航母，但這些航母傷勢都不算重，均能繼續作戰。
美軍其他戰艦，包括“印第安納”號戰列艦和1艘巡洋艦，都險些被擊中。激戰持續了5個小時，然而，在每一輪轟炸中，日軍飛機還沒抵達美軍航母，就被美軍艦載戰鬥機成功擊退。那些好不容易逃回關島基地的日軍飛機剛一降落，往往被美軍戰鬥機擊毀。在當時，戰機很容易被炸燬。小澤一直把關島看做一艘永不沉沒的航母，因為島上佈滿了飛機場。它可能永遠不會沉沒，但它缺乏航母在海上作戰的機動性。此外，此次作戰之後，日軍很多飛行員戰死，越來越多的飛行員缺乏作戰經驗。
就在美軍飛機襲擊關島日軍機場的同時，日軍航母也遭到了來自水下的攻擊。9時11分，日軍飛機起飛後，美軍“金槍魚”號潛艇用魚雷襲擊了“大鳳”號航母，這也是小澤的旗艦。由於該艘航母一條輸油管道斷裂，散發出的航空燃料氣體迅速瀰漫。6小時後，航空燃料發生爆炸，“大鳳”號被炸燬，一半的艦員喪命。3小時後，大約12時20分，美軍另一艘潛艇“鰺魚”號對準日軍“翔鶴”號航母發射3條魚雷，“翔鶴”號和“瑞鶴”號一樣，都曾是日本海軍的驕傲。
3小時後，由於航空燃料爆炸，該航母也發生爆炸並沉沒。對於日軍來說，更加雪上加霜的是在整個下午，日軍只有100架飛機返回航母之上。鑑於這種情況，小澤不得不把旗艦轉移到“長良”號巡洋艦上。美軍充分發揮了航母艦載機的作用，輪番派出其300架“潑婦”戰鬥機，為其艦隊提供持續有效的空中掩護，並能隨時隨地根據需要迅速提供增援。有一次，“亞拉巴馬”號戰列艦上傳來日軍來襲的警報，米切爾非常警戒，一下子就派出了200架飛機升空作戰。
布奇·沃利斯是一名戰鬥轟炸機飛行員，據他回憶：“得知將有大批日軍飛機進駐關島後，我們立即調集了一半準備就緒的戰機前往關島，趕在他們到達我方艦隊之前進行攔截並予以殲滅。這樣，我們發起了第一輪襲擊……摧毀了很多正準備降落的或在地面上重新裝填彈藥和添加燃料的飛機。我正好是第二波襲擊的飛行員……我想我當時離關島有225英里。”
布奇駕駛的飛機剛剛爬升至20000英尺高度，突然，他所在的機群接到緊急後撤的命令——此舉意味著美軍艦隊可能將遭到日軍的猛烈空襲。
“毫無疑問，這是一輪大規模的空襲。我想，日軍當時大約派出兩三百架戰鬥機、俯衝轟炸機和魚雷轟炸機，企圖對我方航母編隊進行一次空前猛烈的襲擊。他們當時的飛行高度很高……在25000到30000英尺之間，在當時，這一高度相比較我方正常飛行高度來說，實在是太高。我們迅速爬升，對其實施攔截……我們看到他們正飛過來……他們已經開始俯衝加速……我記得我方戰鬥機十字交叉飛在俯衝轟炸機和魚雷攻擊機的下面，我們聽見了爆炸聲，我們開足馬力飛到他們正上方和他們纏鬥了100多英里，我們開始猛烈開火，幾乎百發百中，把他們打得落花流水，等他們飛完最後100英里路程，終於接近我方特混艦隊時，僅剩下不到12架飛機了……”
在攻擊海上航母的戰術方面，日軍和美軍幾乎毫無區別。這一點毫不奇怪，因為機型的性質決定了攻擊任務應該以何種方式執行。魚雷攻擊機從低空發起攻擊，飛行高度不超過200英尺。俯衝轟炸機則在中空作戰，以便隨時對選定的攻擊目標發起俯衝。在最上層的是戰鬥機，擔任護航和攻擊任務。據沃利斯回憶，為了攔截日軍攻擊機群，他們不僅要攻擊日軍的戰鬥機，同時也不能忘記摧毀敵人的轟炸機和魚雷機。
“一路打過來，我們必須突破日軍戰鬥機的屏障，才能夠追上日軍攻擊機群的主力。我無法突破日軍戰鬥機群……當時，我被一架日軍戰鬥機‘咬’住了，一時之間無法擺脫……事實上，在終於幹掉最後一架敵軍戰鬥機時，我們已經進入了我方防空射程中。”
在損失了3/4的飛機和2艘最大型的航空母艦後，小澤別無選擇，只能撤退。隨著夜幕降臨，日軍艦隊開始向西北方向撤退。米切爾意識到這是殲滅敵軍的一次絕佳機會，決不能讓它白白溜走。不過，這時候，美軍大部分航母也已出現燃料不足的問題，米切爾巧妙地化解了這一問題，他把這些航母留下來對付駐關島的日軍空中力量，而派出海軍上將克拉克率領3艘航母追擊小澤。
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