最后，只有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，一架天山鱼雷机撞在战斗舰印第安纳号水线附近，但鱼雷未爆炸；另有6架慧星俯冲轰炸机在正午时对第2支队展开攻击，一枚炸弹在胡蜂号上空爆炸，两枚炸弹在碉堡山号近处海中爆炸，两舰受损轻微。
第3支队遭受几架鱼雷机攻击，企业号躲掉一枚鱼雷，其它飞机则被盟军防空炮火打退。
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，而盟军却几乎未受损失。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，盟军的潜艇部队扮演身为水下杀手的关键角色。正当双方舰载机还未遭遇前，潜舰大青花鱼号(uoess-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。
这艘航母，也是日军最后的两艘大型航母。
上午9时大青花鱼号正要对大凤号发射鱼雷时，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枚鱼雷同时下潜逃离。一名日军飞行员不顾性命用自己与飞机档下其中一枚鱼雷，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盟军颇强的俯冲轰炸攻击而进行防护设计，水线下的舰身对鱼雷防护不足，这个隐忧会在之后显现出来。中午时分，盟军有名的棘鳍号潜舰(uoess-218)，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，无法机动规避鱼雷攻击，棘鳍号发射的6枚鱼雷至少有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。
翔鹤号的沉没，日军的士气打击非常大，而怎么也没有想到盟军竟然用潜艇来对他们航母追杀的日军，整个舰队都乱了套。
而先前遭鱼雷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，以为盟军舰队同样受到严重打击。同日傍晚，大凤号也随翔鹤号沉没。
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盟军，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，也没发现盟军航母，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盟军抢先一步发现，马上进行攻击，损失9架。49架日机抛弃炸弹飞往关岛，被第58特遣舰队发现，便派出27架f-6f加以拦截。
盟军追击的部队并没有就此放过这队逃跑的日军，在这些飞机降落时发起突击，30架日机被当场击落，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。
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。
听到这个消息的小泽，差点晕过去，他怎么也不会想到，不但没有完成他既定计划，还损失惨重。
盟军方面，这次战役，取得了历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。
原来准备增援塞班岛的一支日军舰队，如果不是机灵的回撤，差点被盟军追击。
第二天，第58特遣舰队白天不断派出侦察机，欲寻找日本舰队并歼灭之。
这次，日军突然消失了一般，原来，小泽当晚就下令舰队进行战术转移，盟军未成功探查到日舰的踪影。
到了下午三点左右，鉴于日军“分兵合击”的顾虑逐渐消除，斯普鲁恩斯终于准许米契尔第二天朝日本舰队前进。
鉴于飞行员已在白天的空战中消耗不少体力，米契尔并未在夜间派出侦察机，第三天的上午，盟军继续扩大侦查范围，可惜，一面西仍一无所获。
双方在大海上捉迷藏一般，斯普鲁恩斯认为日军舰队要么往东南方向，依靠关岛基地的岸基航空部队进行掩护，和盟军决战，要么就是往东，依靠菲律宾的机场。
不过这次斯普鲁恩斯算错了小泽的动向，这两天，小泽舰队转往西北，暂时避开跟