而斯普魯恩斯早就接到了“飛魚”號潛艇的報告，說有日軍航空母艦編隊自菲律賓群島向東出動。
6月16日4時，斯普魯恩斯接到“海馬”號潛艇的報告，另一個日海軍艦隊自蘇裏高海峽向北駛來。
斯普魯恩斯認為海戰快開始了，立即取消於6月8日攻占關島的命令，立即抽調美第5艦隊的主力迎戰小澤的日航母編隊。
6月16日，塞班島上的美日軍隊進行了更加殘酷的爭奪戰。日軍的炮火很凶猛，美軍的水陸坦克損失慘重，無法發揮作用了。這時，美軍已經全麵上岸參戰，形勢十分危急。若戰鬥這樣打下去，美軍可能會失去戰役的主動權。
6月17日，美軍終於擊敗凶殘的日軍，開始向縱深推進。經過幾天的激戰，日軍被圍困在高地上的袋形地區中。這裏原是一座火山，山裏到處都是岩洞，是天然的防禦工事。
日軍利用岩洞，準備頑抗到底。美軍的主力部隊繞過岩洞。美軍派出特種部隊，用火焰噴射器和炸藥包對付洞中的日軍。
島上的日軍渴望日海軍聯合艦隊來支援，繼續瘋狂地射擊。在馬裏亞納海麵，趕來的日本艦隊被美海軍打敗了，塞班島的日軍已經成了美軍的獵物。
6月底，躲在岩洞中和地下工事裏的日軍斷糧了，被迫用草根樹皮充饑。
7月6日，島上的南雲忠一海軍中將切腹自殺。隨後，齋藤陸軍中將和其他軍官紛紛自殺。
忽然間，一陣喊叫聲從遠處傳來。日軍紛紛跑過去觀看，原來是許多傷兵正在跳崖自殺。一些日軍問他們為什麼要自殺。眾傷兵淚流滿麵，一位傷兵說：“美軍殘忍至極，竟用黑猩猩打仗，女人若當了俘虜，統統會與黑猩猩交配，生了怪物以後殺掉。男人落在黑猩猩手中，都會被喂了黑猩猩。我們要到靖國神社去了。”許多日軍官兵聽完，一陣毛骨悚然。
一位日本軍醫帶著300多名傷員向懸崖邊上走去，“再見吧，母親！”的喊聲不斷傳來。隨後，響著陣陣手榴彈的爆炸聲，2000多名不能行走的傷兵自殺了。
7月7日清晨，塞班島上的3000名日軍，叫喊著“天皇萬歲”，端著機槍和步槍，衝向美軍陣地。美軍憑借武備上的優勢，擊退了日軍的進攻。
7月8日，美軍全部占領了塞班島，繼續掃蕩躲在洞中的日本軍民。一位美國黑人士兵發現了一座懸崖，上麵站滿了幾千名日本人，正陸續跳崖。
“日本平民們，現在戰鬥已經結束，等待你們的將是安全和食物，不要自殺！”跟著追上來的美軍翻譯用日語喊到。
“快，先把孩子扔下去。”一個傷員說完，從女人手中搶過孩子，扔下懸崖。孩子的母親跟著跳了下去，其他人相繼跳下懸崖。
美軍衝了上來，想阻止日本人跳崖。日本人誤以為要抓他們當俘虜，紛紛跳崖。美軍被這悲慘的景象驚呆了。
塞班島3.2萬平民中竟有兩萬多人自殺，崇尚自由、視生命高過一切的美軍將領對此大為不解，尼米茲說：“這可能就是東方人所崇尚的氣節。”
塞班島戰役結束。塞班之戰的代價是非常大的，日本軍民3萬多人死亡；在7萬名美軍中，傷亡1.5萬人，其中3000多人死亡。
塞班島戰役使美軍付出了高昂的代價，使日本的“太平洋防波堤”徹底崩潰，“絕對國防圈”中的關鍵島嶼被攻占。
日本統帥部認為盟軍西南太平洋戰區的部隊可能搶先對菲律賓群島發動進攻。中太平洋戰區的盟軍會尋找日海軍聯合艦隊決戰，同時加緊對中太平洋戰區其他島嶼的攻占。
7月18日，剛剛公開的塞班島淪陷的消息引起了日本國民的憤怒，東條英機被趕下台，小磯國昭出任日本新首相。