正当小泽损失了自己的两艘大型航空母舰的时候，日本舰载机正飞向马里亚那去攻击美军，可是，日方的第三波机群总计47架飞机并没有顺利找到目标，在返航途中于12时55分与第7支队发生了接触，还有一些日军飞机曾经飞到了第4支队上空，可是没有取得任何战果，而且还有7架日机被击落。
到了20日上午，小泽再一次移乘到了所在的甲队唯一剩余的航空母舰“瑞鹤”号，此时由于通讯设备改善，下午1时小泽终于得知前一天空战的结果，由于大量舰载机受到损失，小泽仅剩百余架飞机可以出击，即使是这样，小泽仍打算协同陆基航空队对美军再进行一次打击，就在小泽正决断之时，前卫舰队司令栗田自旗舰“爱宕”号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。”
航空母舰“瑞鹤”号
20日15：40分，“企业”号的一架侦察机发现了小泽的舰队，这是海战开战以来，第五舰队第一次发现一直躲藏在侦察距离外的日军舰队。可是时机却极为尴尬，因为双方舰队距离275海里，第58特遣舰队如果发动进攻就必须让舰载机面临危险，进行夜间降落。
米契尔虽然左右为难，但是为了不遗失战机，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支总共派出了216架飞机发起了进攻，启动这场海战中第五舰队唯一一次的攻势。
16：15分日军也发现了美军舰队，17：25分甲队唯一的航空母舰“瑞鹤”号出动了7架鱼雷机进行攻击，前卫部队的栗田中将也因为收到夜战命令而向东行进，但是日军还是慢了一步，美军飞机已经率先赶到了日舰的上空，开始对日舰进行攻击。
被美机发现之后，小泽下令舰队向西北各自高速逃脱，甚至还抛弃了补给舰队。18：40分，美机抵达补给舰队的上空，重创了两艘油轮，两舰后来都被迫自沉。
双方在海洋上激战
随后一心想找到日本航空母舰的美机群飞到了日本舰队的上空，在日落前就匆忙展开了攻击。中型航空母舰“飞鹰”号被一枚鱼雷击中，引发大火，2小时之后沉没，而“隼鹰”、“龙凤”、“千代田”、“瑞鹤”、“伊势”、“摩耶”也都相继被炸弹击伤，其中小泽的旗舰“瑞鹤”最为严重。
美军飞机的悲惨结局
20时45分，大批燃料即将耗尽的美军飞机在夜色中回到了舰队上空。虽然当时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设备，这样航空母舰便可以以探照灯直射天空，驱逐舰也发射照明弹为美军飞机导航。
可是由于美军的油料殆尽，加上200架飞机同时联络舰队所造成的通讯混乱，导致许多飞行员无视降落信号灯指挥官的指令，就争先恐后地扑向甲板，结果发生了很多意外。在这一次夜间降落中，美机损失80架。而且更具有讽刺意义的是，联合舰队的全力进行攻击只让日军损失了40架飞机，还不及夜间降落对美军造成的损失。
19点40分左右，联合舰队长官丰田副武大将向小泽发布了脱离与美军接触的命令，小泽便中止“阿”号作战，决定撤退了。第58特遣舰队追击也没有获得成功，海战因此结束。
◇知识拓展◇
马里亚纳
在东亚大陆东面的西太平洋，自北向南、由小到大地散落着一串明珠，这就是美属马里亚纳群岛（联邦），英文简称“CNMI”，它几乎与中国、日本和韩国是等距离的。
马里亚纳群岛由14个岛屿组成，主要由珊瑚礁和火山爆发物堆积而成，有人居住的只有塞班岛，也是首府所在地，以及天宁岛和罗塔岛，大约有8万人口，其中包括2万左右的华人。马里亚纳群岛与所有的大洋岛屿一样，拥有美丽的阳光、海水、沙滩和热带风光。
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