19日當(dāng)天戰(zhàn)斗結(jié)束時(shí)，戰(zhàn)役結(jié)果已大致分曉。小澤艦隊(duì)被美國(guó)潛艦擊沉兩艘大型航空母艦，派出的326架艦載機(jī)中僅130架返回日本航空母艦，加上角田在關(guān)島折損的50架及隨大鳳、翔鶴沉沒(méi)的飛機(jī)，日本總損失315架。美方取得史上最大艦載機(jī)空戰(zhàn)的壓倒性勝利，空戰(zhàn)中僅僅損失23架，6架飛機(jī)在操作意外中損毀，此外僅有兩艘航艦、兩艘戰(zhàn)斗艦受到輕微損傷。
原本美軍第58特遣艦隊(duì)19日白天不斷派出偵察機(jī)，欲尋找日本艦隊(duì)并殲滅之，但在小澤艦隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)使用下而未成功探查到日艦的蹤影。同日15時(shí)，鑒于日本“分兵合擊”的顧慮逐漸消除，斯普魯恩斯終于準(zhǔn)許米切爾第二天朝日本艦隊(duì)前進(jìn)。鑒于飛行員已在白天的空戰(zhàn)中消耗不少體力，米切爾并未在夜間派出偵察機(jī)，20日上午一面西進(jìn)一面派機(jī)偵察，仍一無(wú)所獲。因?yàn)?9日夜間小澤艦隊(duì)轉(zhuǎn)往西北，暫時(shí)避開(kāi)跟第58特遣艦隊(duì)的接觸并進(jìn)行加油，小澤意圖第二日再度派出其剩余百余架的艦載機(jī)，同時(shí)計(jì)劃聯(lián)合已飛往馬里亞那加油添彈的艦載機(jī)一同襲擊美艦（但大部分飛往馬里亞那的艦載機(jī)已被擊落）。
20日上午，小澤再移乘其所在的甲隊(duì)唯一剩余的航空母艦瑞鶴號(hào)，此時(shí)由于通訊改善，下午1時(shí)小澤終于得知前一天空戰(zhàn)的結(jié)果，由于大量艦載機(jī)損失，小澤僅剩百余架飛機(jī)可以出擊，即使如此小澤仍打算協(xié)同陸基航空隊(duì)對(duì)美軍再進(jìn)行一次打擊，小澤正決斷之時(shí)，前衛(wèi)艦隊(duì)司令栗田自旗艦愛(ài)宕號(hào)重巡洋艦向小澤通報(bào)：美第58特遣艦隊(duì)向己方逼近，距離已不到300海里。
20日15:40分面，企業(yè)號(hào)的一架偵察機(jī)發(fā)現(xiàn)小澤艦隊(duì)，自海戰(zhàn)展開(kāi)30個(gè)小時(shí)以來(lái)，第五艦隊(duì)終于首度發(fā)現(xiàn)一直躲藏在偵察距離外的敵艦隊(duì)?？蓵r(shí)機(jī)卻極為尷尬，因?yàn)殡p方艦隊(duì)距離275海里，第58特遣艦隊(duì)若發(fā)動(dòng)進(jìn)攻則將使其艦載機(jī)面臨危險(xiǎn)的夜間降落。米切爾雖然左右為難，但為免坐失戰(zhàn)機(jī)，依舊發(fā)下唯一有可能的指令：出擊！16:21分第58特遣艦隊(duì)第1、2、3支隊(duì)（除掩護(hù)第7支隊(duì)?wèi)?zhàn)斗艦的第4支隊(duì)外）派出216架飛機(jī)進(jìn)攻，啟動(dòng)這場(chǎng)海戰(zhàn)中第五艦隊(duì)唯一一次的攻勢(shì)。16:15分日軍方面也發(fā)現(xiàn)美艦隊(duì)，17點(diǎn)25分甲隊(duì)唯一的航空母艦瑞鶴出動(dòng)7架魚(yú)雷機(jī)去攻擊，前衛(wèi)部隊(duì)的栗田中將也因?yàn)槭盏揭箲?zhàn)命令而向東進(jìn)。但美軍飛機(jī)已先趕到日艦上空，開(kāi)始攻擊日艦。
被美機(jī)發(fā)現(xiàn)后，小澤下令艦隊(duì)向西北各自高速逃脫，并拋棄補(bǔ)給艦隊(duì)。18:40分，美機(jī)抵達(dá)補(bǔ)給艦隊(duì)上空，重創(chuàng)兩艘油輪，兩艦后來(lái)都被迫自沉。隨后一心想尋找日本航空母艦的美機(jī)群飛到日本艦隊(duì)上空，日落前展開(kāi)匆忙的攻擊。輕型航空母艦飛鷹號(hào)被一枚魚(yú)雷擊中，引發(fā)大火，2小時(shí)后沉沒(méi)，而航母隼鷹、龍鳳、千代田、瑞鶴、戰(zhàn)艦伊勢(shì)、重巡摩耶都被炸彈擊傷，其中小澤的旗艦瑞鶴傷勢(shì)較重。日本在這波攻擊中又損失65架飛機(jī)，美國(guó)則損失20架。由于小澤下令各艦自行運(yùn)動(dòng)及美國(guó)艦載機(jī)攻擊過(guò)于匆忙，因此這波攻擊成果并不特別出色。
20時(shí)45分，大批燃料即將耗盡的美機(jī)在夜色中回到艦隊(duì)上空。雖然米切爾下令整個(gè)艦隊(duì)不惜冒著被日軍潛艇攻擊的危險(xiǎn)打開(kāi)照明燈，航空母艦以探照燈直射天空，驅(qū)逐艦也發(fā)射照明彈。但由于各機(jī)油料殆盡，加上200架飛機(jī)同時(shí)聯(lián)絡(luò)艦隊(duì)所造成的通訊混亂，許多飛行員無(wú)視于降落信號(hào)燈官的指令爭(zhēng)先恐后地?fù)湎蚣装?，?dǎo)致許多混亂與意外。在此回夜間降落中，美機(jī)損失80架。諷刺的是，聯(lián)合艦隊(duì)的全力攻擊只使敵手損失40架飛機(jī)，竟不及夜間降落對(duì)美軍造成的損失。
由于驅(qū)逐艦徹夜搜索因?yàn)橛土嫌帽M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(duì)攻擊與空戰(zhàn)的損失的27人多）。搜救行動(dòng)造成的混亂使第58特遣艦隊(duì)幾乎停止反潛作業(yè)，幸虧艦隊(duì)未受日軍潛艇攻擊，卻又再耽擱寶貴的2小時(shí)。19點(diǎn)40分左右，聯(lián)合艦隊(duì)長(zhǎng)官豐田副武大將向小澤發(fā)布脫離與美軍接觸的命令，小澤便中止“阿”號(hào)作戰(zhàn)撤退了。第58特遣艦隊(duì)追擊無(wú)法成功，海戰(zhàn)因此結(jié)束了。
美國(guó)第五艦隊(duì)第58特遣艦隊(duì)在這場(chǎng)海戰(zhàn)中重創(chuàng)日本海軍主力第一機(jī)動(dòng)艦隊(duì)，一舉奪得西太平洋的制海權(quán)同時(shí)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(jī)、四艘軍艦輕傷的極小代價(jià)，給予敵人三艘航空母艦、兩艘油輪及600架飛機(jī)的巨大傷害。戰(zhàn)役中，日軍航空母艦3艘、油艦2艘被擊沉，航空母艦4艘以及戰(zhàn)列艦、巡洋艦、油船各1艘被擊傷，損失飛機(jī)395架；美軍航空母艦2艘、戰(zhàn)列艦2艘、巡洋艦1艘受輕傷，損失艦載機(jī)126架。
雖然無(wú)法再給予敵人更大的傷害，仍是一場(chǎng)決定性的大海戰(zhàn)，使日本航空母艦部隊(duì)無(wú)力再與美軍抗衡，只能在4個(gè)月后菲律賓萊特灣海戰(zhàn)中成為誘餌，悲慘的被全數(shù)殲滅。以后馬里亞納完全被美軍控制，如同兩周前盟軍諾曼底登陸突破納粹德國(guó)的大西洋壁壘一般，日本“絕對(duì)國(guó)防圈”慘遭突破，美國(guó)陸軍航空兵（1947年改為美國(guó)空軍）的大型遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)B-29得以進(jìn)駐，日本最大的夢(mèng)魘——美軍轟炸機(jī)投下大量燃燒彈摧毀整座城市的可怕情景將深深烙印在他們心中。
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