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19日9:50，第一波日机被美军战舰雷达发现，米契尔于10分钟内出动240架飞机(此快速动员舰载机记录至今未破)，双方原本在遭遇时，美军飞机应还无法爬升至日机高度，也就是说，这些美军飞机得眼睁睁看着日机从其上方呼啸而过却无法拦截，但日机却浪费宝贵的10分钟对机群重新调整，使美军有时间迅速爬升至与日机相同的高度，并以监听日机指挥官指令改变拦截战术，接下来，以f6f地狱猫式战斗机为主的美机对已显得落后的日本飞机进行拦截，日机主力零式战斗机太平洋战争初期所向披靡，但现在已非美国地狱猫式战斗机的对手，飞机数量、质量及自中途岛战役后逐渐拉大的双方飞行员素质，使日机完全无法应付美机的攻击，只能对前方的美军战舰群进攻。
美军使用新型防空炮弹-装有近炸引信的炮弹，此种炮弹可以侦测飞机是否进入其爆炸杀伤范围，一旦进入其爆炸杀伤范围即会引爆，效率为传统防空炮弹数倍，太平洋战争后期有一半高炮击落的飞机是因为使用vt引信炮弹的缘故，在来年日本发动“神风”自杀攻击时发挥关键作用，使得日机攻击美舰的难度加大。
在美国战机与美舰强大防空火炮之拦截下，日本第一波攻击机群损失42架，仅3、4架飞到第7支队上空并命中 南达科他号一枚，没有一架飞到美国航舰上空。11时39分，规模最大的日机第二攻击波再度被美国战机拦截，美国f6f战机围着技术欠佳、性能落伍的日机穷追猛打，演变成空中大屠杀，至少70架日机在这波拦截中被击落，同时美军以当时其中一名飞行员的兴奋之语:“这多像古代猎杀火鸡的战场啊!”遂将当日的空战命名为马利亚那射火鸡大赛(the great marianas turkey shoot)。
20架日机突破重围，14架接着又被第7支队的防空炮火击落，一架天山机撞在战斗舰印第安纳号水线附近，但未爆炸;另有6架慧星俯冲轰炸机在正午时对第2支队展开攻击，一枚在胡蜂号上空爆炸，两枚在碉堡山号近处海中爆炸，两舰受损轻微。第3支队遭受几架机攻击，企业号躲掉一枚，其它飞机则被美国防空炮火打退。总计第二波日机128架共折损97架，另外侥幸逃生的31架则返回小泽舰队，而美军却几乎未受损失。
虽然第58特遣舰队的舰载机取得对日本舰载机的压倒性胜利，可是始终未能发现小泽舰队并给予打击，当第58特遣舰队面对小泽舰队攻击而未能反击之际，美军的潜艇部队扮演身为水下杀手的关键角色。
正当19日8时美日舰载机还未遭遇前，大青花鱼号潜艇(uss albacore ss-218)潜航时发现了小泽舰队的甲队，盯上日军阵中最大的大凤号航空母舰。上午9时大青花鱼号正要对大凤号发射时，却被日军水面舰艇发现而被攻击，又加上潜艇瞄准镜故障，其只能盲目送出6枚同时下潜逃离。
一名日军飞行员不顾性命用自己与飞机档下其中一枚，有一枚仍幸运的击中大凤号，由于该舰装甲雄厚，特别注重防御能力，因此一时并未造成很大的影响，但毕竟这艘航空母舰是针对太平洋战争初期美军颇强的俯冲轰炸攻击而进行防护设计，水线下的舰身对防护不足，这个隐忧会在之后显现出来。
中午时分，美军棘鳍号潜艇(uss cavallass-244)，同样闯入了小泽舰队的甲队舰群中，当时翔鹤号航空母舰因为正进行收回飞机的作业，无法机动规避攻击，棘鳍号发射的6枚至少有3枚命中翔鹤号，使翔鹤号立时失去战力，并在当日14:32分沉没。
而先前遭命中的另一艘航空母舰大凤，油气自管内外泄，弥漫了整个航空母舰的舰体，下午三时因为油气浓度过高，加上舰内人员不慎引起火花，使舰内燃起大火，同时引爆了弹药库，使大凤号腹部接二连三发生大爆炸，使小泽不得不放弃自己的旗舰大凤号，移乘重巡洋舰羽黑离开，但其通讯设施远不足以担任旗舰的重要位置。
同时由于移乘造成的混乱，小泽并未得知其飞行员悲惨的下场，还因为日军飞行员那自欺欺人的谎报，以为美国舰队受到严重打击。同日18:28分，大凤号也随翔鹤号沉没在菲律宾海。
正当小泽损失自己的两艘大型航空母舰时，日本舰载机还正飞向马里亚那去攻击美军，日方第三波机群47架并未顺利找到目标，在返航途中于12时55分与第7支队接触，还有一些曾飞到第4支队上空，但都没有任何战果，共7架日机被击落，是当天日机攻势中损失最少、战果也最小的一波。
第四波攻击机群于14时飞抵预定海面，也没发现美舰，便分成三路。第一路12架飞往罗塔岛途中发现第2支队，其中6架被f-6f击落，剩余6架投下至近弹击中胡蜂号与碉堡山号，造成再度对其轻微损伤。
另18架来自瑞鹤的机群也被美机攻击，损失9架。49架日机抛弃飞往关岛，被第58特遣舰队发现，便派出27架f-6f加以拦截。美机在日本降落时发动突击，30架日机被击落，其余19架落地后也遭到严重破坏而报销。总计第四波82架最后仅9架能升空再战。
19日当天战斗结束时，战役结果已大致分晓。小泽舰队被美国潜舰击沉两艘大型航空母舰，派出的326架舰载机中仅130架返回日本航空母舰，加上角田在关岛折损的50架及随大凤、翔鹤沉没的飞机，日本总损失315架。美方取得史上最大舰载机空战的压倒性胜利，空战中仅仅损失23架，6架飞机在操作意外中损毁，此外仅有两艘航舰、两艘战斗舰受到轻微损伤。