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。
因爲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。可時機卻極爲尷尬，因爲雙方艦隊距離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。米契爾雖然左右爲難，但爲免坐失戰機，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，啓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**機去攻擊，前衛部隊的慄田中將也因爲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羣飛到日本艦隊上空，日落前展開匆忙的攻擊。中型航空母艦飛鷹號被一枚**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**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着被日軍潛艇攻擊的危險打開照明，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信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。
由於驅逐艦徹夜搜索因爲油料用盡而墜海的飛行員，因此僅49名飛行員在夜間降落中喪命(仍比日本艦隊攻擊與空戰的損失的27人多)。搜救行動造成的混亂使第58特遣艦隊幾乎停止反潛作業，幸虧艦隊未受日軍潛艇攻擊，卻又再耽擱寶貴的2小時。19點40分左右，聯合艦隊長官豐田副武大將向小澤發佈脫離與美軍接觸的命令，小澤便中止「阿」號作戰撤退了。第58特遣艦隊追擊無法成功，海戰因此結束了。
美國第五艦隊第58特遣艦隊在這場海戰中重創日本海軍主力第一機動艦隊，一舉奪得西太平洋的制海權同時鞏固在塞班建立起的陣地，美軍僅付出76人陣亡、損失123架飛機、四艘軍艦輕傷的極小代價，給予敵人三艘航空母艦、兩艘油輪及600架飛機的巨大傷害。雖然無法再給予敵人更大的傷害，仍是一場決定性的大海戰，使日本航空母艦部隊無力再與美軍抗衡，只能在4個月後雷伊泰灣海戰中成爲誘餌，悲慘的被全數殲滅。
以後馬里亞那完全被美軍控制，如同兩週前盟軍諾曼底登陸突破納粹德國的大西洋壁壘一般，日本“絕對國防圈”慘遭突破，美國陸軍航空兵(1947年改爲美國空軍)的大型遠程戰略轟炸機B-29得以進駐，日本最大的夢魘——“轟炸東京”時的可怕情景將深深烙印在他們心中。