双方海军都派出潜艇进入菲律宾海，但只有美军潜艇发现并对日舰发起攻击。此外，这些潜艇还进行了大量的侦察活动。1944年6月18日下午，日军侦察机首先发现美军航母，但此时的米切尔仍未获知日军航母的准确位置。翌日早晨，米切尔意识到自己舰队此时很容易遭到日军攻击，于是命令所有战斗机做好准备——或做好空中战斗巡逻准备，或在甲板上列队随时准备起飞。
直到10时，驻关岛日军飞机发起首次袭击，日军航母也派出更多的飞机前来增援。在激烈的空战中，袭击美国第5舰队的69架日军飞机只有24架生还。日军下一波袭击出动了130架飞机，其中98架被击落。然后，日军又发起4轮舰载机攻击，但米切尔早已料到日军来袭，他已经在舰前50英里处部署了战斗机。结果，日军再次遭受严重损失，那些侥幸避过战斗机攻击的飞机，也被航母的防空炮火击中。 只有大约20架飞机得以击中美军“南达科他”号、“黄蜂”号和“邦克山”号航母，但这些航母伤势都不算重，均能继续作战。
美军其他战舰，包括“印第安纳”号战列舰和1艘巡洋舰，都险些被击中。激战持续了5个小时，然而，在每一轮轰炸中，日军飞机还没抵达美军航母，就被美军舰载战斗机成功击退。那些好不容易逃回关岛基地的日军飞机刚一降落，往往被美军战斗机击毁。在当时，战机很容易被炸毁。小泽一直把关岛看做一艘永不沉没的航母，因为岛上布满了飞机场。它可能永远不会沉没，但它缺乏航母在海上作战的机动性。此外，此次作战之后，日军很多飞行员战死，越来越多的飞行员缺乏作战经验。
就在美军飞机袭击关岛日军机场的同时，日军航母也遭到了来自水下的攻击。9时11分，日军飞机起飞后，美军“金枪鱼”号潜艇用鱼雷袭击了“大凤”号航母，这也是小泽的旗舰。由于该艘航母一条输油管道断裂，散发出的航空燃料气体迅速弥漫。6小时后，航空燃料发生爆炸，“大凤”号被炸毁，一半的舰员丧命。3小时后，大约12时20分，美军另一艘潜艇“鲹鱼”号对准日军“翔鹤”号航母发射3条鱼雷，“翔鹤”号和“瑞鹤”号一样，都曾是日本海军的骄傲。
3小时后，由于航空燃料爆炸，该航母也发生爆炸并沉没。对于日军来说，更加雪上加霜的是在整个下午，日军只有100架飞机返回航母之上。鉴于这种情况，小泽不得不把旗舰转移到“长良”号巡洋舰上。美军充分发挥了航母舰载机的作用，轮番派出其300架“泼妇”战斗机，为其舰队提供持续有效的空中掩护，并能随时随地根据需要迅速提供增援。有一次，“亚拉巴马”号战列舰上传来日军来袭的警报，米切尔非常警戒，一下子就派出了200架飞机升空作战。
布奇·沃利斯是一名战斗轰炸机飞行员，据他回忆：“得知将有大批日军飞机进驻关岛后，我们立即调集了一半准备就绪的战机前往关岛，赶在他们到达我方舰队之前进行拦截并予以歼灭。这样，我们发起了第一轮袭击……摧毁了很多正准备降落的或在地面上重新装填弹药和添加燃料的飞机。我正好是第二波袭击的飞行员……我想我当时离关岛有225英里。”
布奇驾驶的飞机刚刚爬升至20000英尺高度，突然，他所在的机群接到紧急后撤的命令——此举意味着美军舰队可能将遭到日军的猛烈空袭。
“毫无疑问，这是一轮大规模的空袭。我想，日军当时大约派出两三百架战斗机、俯冲轰炸机和鱼雷轰炸机，企图对我方航母编队进行一次空前猛烈的袭击。他们当时的飞行高度很高……在25000到30000英尺之间，在当时，这一高度相比较我方正常飞行高度来说，实在是太高。我们迅速爬升，对其实施拦截……我们看到他们正飞过来……他们已经开始俯冲加速……我记得我方战斗机十字交叉飞在俯冲轰炸机和鱼雷攻击机的下面，我们听见了爆炸声，我们开足马力飞到他们正上方和他们缠斗了100多英里，我们开始猛烈开火，几乎百发百中，把他们打得落花流水，等他们飞完最后100英里路程，终于接近我方特混舰队时，仅剩下不到12架飞机了……”
在攻击海上航母的战术方面，日军和美军几乎毫无区别。这一点毫不奇怪，因为机型的性质决定了攻击任务应该以何种方式执行。鱼雷攻击机从低空发起攻击，飞行高度不超过200英尺。俯冲轰炸机则在中空作战，以便随时对选定的攻击目标发起俯冲。在最上层的是战斗机，担任护航和攻击任务。据沃利斯回忆，为了拦截日军攻击机群，他们不仅要攻击日军的战斗机，同时也不能忘记摧毁敌人的轰炸机和鱼雷机。
“一路打过来，我们必须突破日军战斗机的屏障，才能够追上日军攻击机群的主力。我无法突破日军战斗机群……当时，我被一架日军战斗机‘咬’住了，一时之间无法摆脱……事实上，在终于干掉最后一架敌军战斗机时，我们已经进入了我方防空射程中。”
在损失了3/4的飞机和2艘最大型的航空母舰后，小泽别无选择，只能撤退。随着夜幕降临，日军舰队开始向西北方向撤退。米切尔意识到这是歼灭敌军的一次绝佳机会，决不能让它白白溜走。不过，这时候，美军大部分航母也已出现燃料不足的问题，米切尔巧妙地化解了这一问题，他把这些航母留下来对付驻关岛的日军空中力量，而派出海军上将克拉克率领3艘航母追击小泽。
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