航空母艦“瑞鶴”號
20日15：40分，“企業”號的一架偵察機發現了小澤的艦隊，這是海戰開戰以來，第五艦隊第一次發現一直躲藏在偵察距離外的日軍艦隊。可是時機卻極為尷尬，因為雙方艦隊距離275海裏，第58特遣艦隊如果發動進攻就必須讓艦載機麵臨危險，進行夜間降落。
米契爾雖然左右為難，但是為了不遺失戰機，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支總共派出了216架飛機發起了進攻，啟動這場海戰中第五艦隊唯一一次的攻勢。
16：15分日軍也發現了美軍艦隊，17：25分甲隊唯一的航空母艦“瑞鶴”號出動了7架魚雷機進行攻擊，前衛部隊的栗田中將也因為收到夜戰命令而向東行進，但是日軍還是慢了一步，美軍飛機已經率先趕到了日艦的上空，開始對日艦進行攻擊。
被美機發現之後，小澤下令艦隊向西北各自高速逃脫，甚至還拋棄了補給艦隊。18：40分，美機抵達補給艦隊的上空，重創了兩艘油輪，兩艦後來都被迫自沉。
雙方在海洋上激戰
隨後一心想找到日本航空母艦的美機群飛到了日本艦隊的上空，在日落前就匆忙展開了攻擊。中型航空母艦“飛鷹”號被一枚魚雷擊中，引發大火，2小時之後沉沒，而“隼鷹”、“龍鳳”、“千代田”、“瑞鶴”、“伊勢”、“摩耶”也都相繼被炸彈擊傷，其中小澤的旗艦“瑞鶴”最為嚴重。
美軍飛機的悲慘結局
20時45分，大批燃料即將耗盡的美軍飛機在夜色中回到了艦隊上空。雖然當時米契爾下令整個艦隊不惜冒著被日軍潛艇攻擊的危險打開照明設備，這樣航空母艦便可以以探照燈直射天空，驅逐艦也發射照明彈為美軍飛機導航。
可是由於美軍的油料殆盡，加上200架飛機同時聯絡艦隊所造成的通訊混亂，導致許多飛行員無視降落信號燈指揮官的指令，就爭先恐後地撲向甲板，結果發生了很多意外。在這一次夜間降落中，美機損失80架。而且更具有諷刺意義的是，聯合艦隊的全力進行攻擊隻讓日軍損失了40架飛機，還不及夜間降落對美軍造成的損失。
19點40分左右，聯合艦隊長官豐田副武大將向小澤發布了脫離與美軍接觸的命令，小澤便中止“阿”號作戰，決定撤退了。第58特遣艦隊追擊也沒有獲得成功，海戰因此結束。
◇知識拓展◇
馬裏亞納
在東亞大陸東麵的西太平洋，自北向南、由小到大地散落著一串明珠，這就是美屬馬裏亞納群島（聯邦），英文簡稱“CNMI”，它幾乎與中國、日本和韓國是等距離的。
馬裏亞納群島由14個島嶼組成，主要由珊瑚礁和火山爆發物堆積而成，有人居住的隻有塞班島，也是首府所在地，以及天寧島和羅塔島，大約有8萬人口，其中包括2萬左右的華人。馬裏亞納群島與所有的大洋島嶼一樣，擁有美麗的陽光、海水、沙灘和熱帶風光。