空母艦時，日本艦載機還正飛向馬里亞那去攻擊美軍，日方第三波機群47架並未順利找到目標，在返航途中於12時55分與第7支隊接觸，還有一些曾飛到第4支隊上空，但都沒有任何戰果，共7架日機被擊落，是當天日機攻勢中損失最少、戰果也最小的一波。第四波攻擊機群於14時飛抵預定海面，也沒發現美艦，便分成三路。第一路12架飛往羅塔島途中發現第2支隊，其中6架被F…6F擊落，剩餘6架投下至近彈擊中胡蜂號與碉堡山號，造成再度對其輕微損傷。另18架來自瑞鶴的機群也被美機攻擊，損失9架。49架日機拋棄炸彈飛往關島，被第58特遣艦隊發現，便派出27架F…6F加以攔截。美機在日本降落時發動突擊，30架日機被擊落，其餘19架落地後也遭到嚴重破壞而報銷。總計第四波82架最後僅9架能升空再戰。

美軍追擊

19日當天戰鬥結束時，戰役結果已大致分曉。小澤艦隊被美國潛艦擊沈兩艘大型航空母艦，派出的326架艦載機中僅130架返回日本航空母艦，加上角田在關島折損的50架及隨大鳳、翔鶴沉沒的飛機，日本總損失315架。美方取得史上最大艦載機空戰的壓倒性勝利，空戰中僅僅損失23架，6架飛機在操作意外中損毀，此外僅有兩艘航艦、兩艘戰鬥艦受到輕微損傷。

原本美軍第58特遣艦隊19日白天不斷派出偵察機，欲尋找日本艦隊並殲滅之，但在小澤艦隊的戰術使用下而未成功探查到日艦的蹤影。同日15時，鑑於日本「分兵合擊」的顧慮逐漸消除，斯普魯恩斯終於准許米契爾第二天朝日本艦隊前進。鑑於飛行員已在白天的空戰中消耗不少體力，米契爾並未在夜間派出偵察機，20日上午一面西進一面派機偵察，仍一無所獲。因為19日夜間小澤艦隊轉往西北，暫時避開跟第58特遣艦隊的接觸並進行加油，小澤意圖第二日再度派出其剩餘百餘架的艦載機，同時計劃聯合已飛往馬里亞那加油添彈的艦載機一同襲擊美艦（但大部分飛往馬里亞那的艦載機已被擊落）。

20日上午，小澤再移乘其所在的甲隊唯一剩餘的航空母艦瑞鶴，此時由於通訊改善，下午1時小澤終於得知前一天空戰的結果，由於大量艦載機損失，小澤僅剩百餘架飛機可以出擊，即使如此小澤仍打算協同陸基航空隊對美軍再進行一次打擊，小澤正決斷之時，前衛艦隊司令慄田自旗艦愛宕重巡洋艦向小澤通報：美第58特遣艦隊向己方逼近，距離已不到300海里。

20日15：40分面，企業號的一架偵察機發現小澤艦隊，自海戰展開30個小時以來，第五艦隊終於首度發現一直躲藏在偵察距離外的敵艦隊。可時機卻極為尷尬，因為雙方艦隊距離275海里，第58特遣艦隊若發動進攻則將使其艦載機面臨危險的夜間降落。米契爾雖然左右為難，但為免坐失戰機，依舊發下唯一有可能的指令：出擊！16：21分第58特遣艦隊第1、2、3支隊（除掩護第7支隊戰鬥艦的第4支隊外）派出216架飛機進攻，啟動這場海戰中第五艦隊唯一一次的攻勢。16：15分日軍方面也發現美艦隊，17點25分甲隊唯一的航空母艦瑞鶴出動7架魚雷機去攻擊，前衛部隊的慄田中將也因為收到夜戰命令而向東進。但美軍飛機已先趕到日艦上空，開始攻擊日艦。

被美機發現後，小澤下令艦隊向西北各自高速逃脫，並拋棄補給艦隊。18：40分，美機抵達補給艦隊上空，重創兩艘油輪，兩艦後來都被迫自沉。隨後一心想尋找日本航空母艦的美機群飛到日本艦隊上空，日落前展開匆忙的攻擊。中型航空母艦飛鷹號被一枚魚雷擊中，引發大火，2小時後沉沒，而空母隼鷹、龍鳳、千代田、瑞鶴、戰艦伊勢、重巡摩耶都被炸彈擊傷，其中小澤的旗艦瑞鶴傷勢較重。日本在這波攻擊中又損失65架飛機，美國則損失20架。由於小澤下令各艦自行運動及美國艦載機攻擊過於匆忙，因此這波攻擊成果並不特別出色。

20時45分，大批燃料即將耗盡的美機在夜色中回到艦隊上空。雖然米契爾下令整個艦隊不惜冒著被日軍潛艇攻擊的危險開啟照明，航空母艦以探照燈直射天空，驅逐艦也發射照明彈。但由於各機油料殆盡，加上200架飛機同時聯絡艦隊所造成的通訊混亂，許多飛行員無視於降落訊號燈官的指令爭先恐後地撲向甲板，導致許多混亂與意外。在此回夜間降落中，美機損失80架。諷刺的是，聯合艦隊的全力攻擊只使敵手損失40架飛機，竟不及夜間降落對美軍造成的損失。

由於驅逐艦徹夜搜尋因為油料用盡而墜海的飛行員，因此僅49名飛行員