爲什麼美軍艦隊會出現在塞班島西南的關島以西海域呢，那是因爲斯普魯恩斯中將遲遲沒能發現日軍艦隊的具體位置，由於擔心遭到日軍艦隊和陸基飛機的夾擊，而在天氣情況較好的時候命令米切爾中將帶領主力艦隊前出消滅在馬里亞那已知的陸基敵機力量。關島這個美軍經營了幾十年的島嶼當然是首當其衝。
關島處於北馬裡亞納羣島的南端，面積達到了549平方公里。1898年美西戰爭後爲美軍佔領了關島，其後在關島之上修建了大量的基地，以至於日軍在1941年12月佔領關島後，發現關島的四分之一的面積都是軍事建築。不僅有完善的海軍基地，還有幾個空軍基地。後來日軍更加增強了關島的軍事力量，使得關島成爲日軍在馬里亞納羣島最大的兵力所在。不但第五基地航空部隊的角田覺治中將的司令部就在關島之上，而且上面還擁有200架陸基飛機。除了日本海軍外，關島上還駐紮了7萬日本陸軍以及一支陸軍航空兵的戰隊。
早上9點，美軍航母上起飛了攻擊機羣，前往200海里之外的關島進行轟炸。幾乎與此同時，南雲忠一向已經發現的美軍艦隊派出了第一波攻擊羣。南雲忠一放出攻擊機的地方非常之講究，在這個距離上日軍攻擊羣是不足以飛一個來回的。不過南雲忠一下達給飛行員們的任務是前往關島機場降落，這樣一來就延長了艦載機的攻擊距離。而美軍艦載機要是從美軍航母上起飛，並且飛到日軍航母所在地進行攻擊後，就沒有足夠的油料飛回美軍航母上空了。這樣的後果是，日軍艦載機可以攻擊到美軍航母，而美軍艦載機則無法攻擊到日本航母，等於是日軍艦隊處於了一個非常安全的位置。
南雲忠一跟山本五十六一樣是一個賭徒，9點鐘的時候，他命令慄田前衛艦隊的飛機共69架發動第一波攻擊。9:30最大的一波攻擊羣128架艦載機從主力艦隊的甲板上起飛，前往進行第二波攻擊。而10點，從他自己所在的乙對航母上起飛了47架攻擊機作爲第三波。最後在11點的時間，甲乙兩隊聯合派出了82架飛機作爲當天上午最後一波攻擊機羣。這樣一來，一共派出了326架艦載機，除了必須留在航母上空的直掩機之外，航母的機庫之中已經空空如野，南雲忠一希望在這難得的“穿梭攻擊”的時機中，用大量的戰機一舉擊破米切爾中將的空防。
300海里之外的關島以西海面，米切爾中將雖然一直在注意航空母艦所釋放出的攻擊機羣對關島的轟炸，但他仍然命令每艘航母的甲板上隨時保持可以起飛戰鬥機的狀態。在之前他已經爲每艘航母預留了足夠的可以掩護本艦隊的戰鬥機。日軍偵察機飛來偵查了一番很快飛走，美軍戰鬥機沒有及時將其擊落，米切爾中將的心中就留下了不好的預感。果然，10點20分，第一波日本攻擊羣就被美軍戰列艦上的對空搜索雷達發現，已經做好起飛準備的美軍航空母艦在10分鐘內就出動240架飛機，這個快速動員艦載機的記錄是世界第一的。
但是即使如此，大部分的起飛的美軍戰鬥機還處於較低的空域，正在全力爬升，力圖達到日本攻擊機所在的高度。第一波日本攻擊機在很少的幾家f6f地域貓的攔截下很快掠過了美軍戰鬥機機羣的上空，美軍飛行員只能眼睜睜看着日本攻擊機向着後方的航母艦隊飛去。
其實在這個時候，透過望遠鏡觀察空中情景的米切爾中將並不是太驚慌。通過雷達偵察，他知道這一波日本飛機僅有不到100架，其中還有三分之一是用於護航的戰鬥機，他相信15艘航空母艦、7艘戰列艦和大量的巡洋艦、驅逐艦上的火力足以掩護大部分的軍艦。近炸引信投入使用後水面艦艇的高射炮攔截效率高了很多。不過這一次，情況有點不一樣。
射向日軍飛機的高射炮彈幾乎在飛出保險高度後就立即發生了爆炸，甚至距離日本飛機還有一公里多的距離。雖然爆炸帶來的擾流使得日本飛機不停的顛簸，但是卻無法對其產生什麼樣的損失。反而後面跟上來的幾架美軍f6f地域貓戰鬥機被一串帶着近炸引信的重型高射炮彈擊中，這些高射炮彈在對付自己人的時候卻沒有失效。
所以這樣一來航空母艦兩側那些127毫米的高射炮幾乎沒有發揮任何作用，雖然彈幕打得到處都是，但是卻連日本飛機的毛都沒有摸到一根。反而是那些勇敢的駕駛f6f的飛行員衝了進來，拼命地對日軍攻擊機進行干擾和射擊，擊落了十多架日軍流星式攻擊機和烈風式戰鬥機。
很快日軍流星式攻擊機就開始了俯衝投彈，帶領他們進行投彈的則是烈風式戰鬥機。那些日本戰鬥機飛行員不怕死地直接對着美軍航母俯衝下來，用機翼上的兩挺20毫米航炮和機頭下的12.7毫米重型航空機槍對着航母上的高射機關炮位進行火力壓制。航母甲板兩側防空炮位中的小口徑高射機關炮此時卻是美軍艦艇唯一能依靠的防空設備，它們的直射炮火和交叉火力打爆了數架掃射中的烈風式戰鬥機。這些小口徑高射機關炮的炮彈並不受日軍近炸引信干擾器的影響，因爲它們根本沒有安裝近炸引信。
日軍烈風式戰鬥機的獻身爲後面的流星式攻擊機提供了機會。流星式攻擊機機腹之中的兩枚500公斤重炸彈紛紛離開機體，向美軍航空母艦直線砸去。頃刻之間，投彈的十多架流星式攻擊機就命中了三艘大型航空母艦的甲板，重磅炸彈使得甲板上開了一個大洞，鋼板向外彎曲，洞中冒出了大量的濃煙和火光。躲在甲板之下的美軍管損人員立即開始工作，他們將甲板上的可燃物推進了大海，並奮力撲滅大火。
不過日本人的幸運到次就結束了，第二波俯衝下來的十多架流星式攻擊機還沒有抵達投彈位置就被擊落。在看到了日本人的瘋狂之後，美國海軍士兵也開始拼命了。
投完彈的數架流星式攻擊機以及在跟f6f地域貓纏鬥中倖存下來的日本烈風式戰鬥機開始向關島的方向飛去。不過美軍那200多架已經完成了加速，並佔據了高度的戰鬥機豈會放過這給美軍艦隊添加了不少麻煩的“混球們”。最後只有不到5架日本飛機分散突圍成功，不過這也使得美軍戰鬥機在追趕他們的時候距離己方艦隊太遠，給第二波日本攻擊機創造了一個絕好的機會。
在日軍投彈結束後，一名美軍參謀找到了近炸引信失效的原因。軍艦上的無線電接收器的某一個頻段被幹擾了！而近炸引信正是工作在這個頻段的。米切爾中將給所有艦艇直接發去了電報，要求高射炮炮彈一半的引信改爲傳統的定高引信。就在美軍跟換引信的時候，軍艦上的防空警報再次發出淒厲的叫聲。128架日軍艦載機就快飛臨美軍艦隊上空了。
跟換了引信的127毫米高射炮果然產生了作用，炮彈開始在日軍飛機飛行的高度爆炸，而那些仍沒有更換引信的高射炮彈卻還是在日軍飛機下方爆炸，看來日軍飛機之上擁有干擾器的問題可以被證明了。米切爾立即命令作戰參謀向各艦發出命令，所有大口近高射炮都更換爲傳統引信。
由於美軍戰鬥機中的大部分都去追趕第一波日軍飛機了，第二波日軍飛機幾乎沒有遇到任何遠程的阻礙就進入了美軍高射炮的攻擊範圍，南雲忠一的計算非常的精確。
“傷其十指不如斷其一指。”日軍空中指揮官看來非常明白這個道理。當第二波日軍攻擊機發起進攻的時候，主要的精力被放在了前面那三艘已經受傷的航空母艦。這三艘航空母艦再次遭受了鐵與火的考驗。日軍這一次沒有攜帶魚雷，而是全部使用對付航母脆弱的甲板的重型穿甲彈進行轟炸。很快這三艘航母就被連續擊中，甚至有一些流星式攻擊機被高射機關炮擊中後一頭撞在了航空母艦上。這三艘航母先後燃起了大火，其艦長隨後不得不宣佈了棄船。在耗光彈藥之前，其餘的日本攻擊羣還擊傷了兩艘護航航母。
日軍第二波攻擊機羣有近50架艦載機逃過了美軍護航戰鬥機的圍捕飛往關島。而那些美軍戰鬥機卻幾乎耗光了燃油，不得不降落了。而這個時候美軍航空母艦前去轟炸關島機場的攻擊機羣則凱旋而歸，結果卻發現了正在燃燒着的三艘航母，歸屬這些航母的艦載機飛行員不得不到其他航母之上降落，由於那三艘都是大型航母，所以需要重新劃分降落地點的飛機數量不少。這些需要降落的攻擊機和那些需要降落的直掩機混雜在一起，很快就引起了混亂。