原本美军第58特遣舰队19日白天不断派出侦察机，欲寻找日本舰队并歼灭之，但在小泽舰队的战术使用下而未成功探查到日舰的踪影。同日15时，鉴于日本「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，20日上午一面西进一面派机侦察，仍一无所获。
因为19日夜间小泽舰队转往西北，暂时避开跟第58特遣舰队的接触并进行加油，小泽意图第二日再度派出其剩余百余架的舰载机，同时计划联合已飞往马里亚那加油添弹的舰载机一同袭击美舰(但大部分飞往马里亚那的舰载机已被击落)。
20日上午，小泽再移乘其所在的甲队唯一剩余的航空母舰瑞鹤，此时由于通讯改善，下午1时小泽终于得知前一天空战的结果，由于大量舰载机损失，小泽仅剩百余架飞机可以出击，即使如此小泽仍打算协同陆基航空队对美军再进行一次打击，小泽正决断之时，前卫舰队司令栗田自旗舰爱宕重巡洋舰向小泽通报:美第58特遣舰队向己方逼近，距离已不到300海里。
20日15:40分面，企业号的一架侦察机发现小泽舰队，自海战展开30个小时以来，第五舰队终于首度发现一直躲藏在侦察距离外的敌舰队。可时机却极为尴尬，因为双方舰队距离275海里，第58特遣舰队若发动进攻则将使其舰载机面临危险的夜间降落。米契尔虽然左右为难，但为免坐失战机，依旧发下唯一有可能的指令:出击!16:21分第58特遣舰队第1、2、3支队(除掩护第7支队战斗舰的第4支队外)派出216架飞机进攻，启动这场海战中第五舰队唯一一次的攻势。
16:15分日军方面也发现美舰队，17点25分甲队唯一的航空母舰瑞鹤出动7架**机去攻击，前卫部队的栗田中将也因为收到夜战命令而向东进。但美军飞机已先赶到日舰上空，开始攻击日舰。被美机发现后，小泽下令舰队向西北各自高速逃脱，并抛弃补给舰队。
18:40分，美机抵达补给舰队上空，重创两艘油轮，两舰后来都被迫自沉。随后一心想寻找日本航空母舰的美机群飞到日本舰队上空，日落前展开匆忙的攻击。中型航空母舰飞鹰号被一枚**击中，引发大火，2小时后沉没，而空母隼鹰、龙凤、千代田、瑞鹤、战舰伊势、重巡摩耶都被**击伤，其中小泽的旗舰瑞鹤伤势较重。
日本在这波攻击中又损失65架飞机，美国则损失20架。由于小泽下令各舰自行运动及美国舰载机攻击过于匆忙，因此这波攻击成果并不特别出色。20时45分，大批燃料即将耗尽的美机在夜色中回到舰队上空。虽然米契尔下令整个舰队不惜冒着被日军潜艇攻击的危险打开照明，航空母舰以探照灯直射天空，驱逐舰也发射照明弹。但由于各机油料殆尽，加上200架飞机同时联络舰队所造成的通讯混乱，许多飞行员无视于降落信号灯官的指令争先恐后地扑向甲板，导致许多混乱与意外。在此回夜间降落中，美机损失80架。讽刺的是，联合舰队的全力攻击只使敌手损失40架飞机，竟不及夜间降落对美军造成的损失。
由于驱逐舰彻夜搜索因为油料用尽而坠海的飞行员，因此仅49名飞行员在夜间降落中丧命(仍比日本舰队攻击与空战的损失的27人多)。搜救行动造成的混乱使第58特遣舰队几乎停止反潜作业，幸亏舰队未受日军潜艇攻击，却又再耽搁宝贵的2小时。19点40分左右，联合舰队长官丰田副武大将向小泽发布脱离与美军接触的命令，小泽便中止「阿」号作战撤退了。第58特遣舰队追击无法成功，海战因此结束了。
美国第五舰队第58特遣舰队在这场海战中重创日本海军主力第一机动舰队，一举夺得西太平洋的制海权同时巩固在塞班建立起的阵地，美军仅付出76人阵亡、损失123架飞机、四艘军舰轻伤的极小代价，给予敌人三艘航空母舰、两艘油轮及600架飞机的巨大伤害。虽然无法再给予敌人更大的伤害，仍是一场决定性的大海战，使日本航空母舰部队无力再与美军抗衡，只能在4个月后雷伊泰湾海战中成为诱饵，悲惨的被全数歼灭。
以后马里亚那完全被美军控制，如同两周前盟军诺曼底登陆突破纳粹德国的大西洋壁垒一般，日本“绝对国防圈”惨遭突破，美国陆军航空兵(1947年改为美国空军)的大型远程战略轰炸机b-29得以进驻，日本最大的梦魇——“轰炸东京”时的可怕情景将深深烙印在他们心中。