令 理查德蒙德？凯利？特纳（Richmond Kelly Turner）海军中将指挥，在6月中旬进入马里亚那海域，对附近机场、港口的飞机和船只进行封锁及压制，并准备进攻塞班岛，以夺取空军基地。
另一方面，日本海军刚领悟航空母舰在海战中不可取代的强大地位，在1944年上半终于首次将航空母舰的编制列在战舰之上，但此措施已经落后美国两年半，使得在接下来的海战中日军航空母舰编队的作战能力远不如美国。在美军进攻塞班岛之际即派出刚整编完成的舰队主力？由小泽治三郎指挥的第一机动舰队去迎战美军第五舰队。
同时日军也在马里亚那部署数百架战机，由第一航空舰队司令角田觉治中将指挥，但在盟军第五舰队到来后便失去大半实力。海战之中更是毫无用处，只能任由盟军歼灭。
当日军察觉美军夺占马里亚那的企图，原本为抵挡麦克阿瑟战线而发动的「浑」作战被迫中止，作战舰艇往北支持小泽，转而发动日本帝国大本营苦心策划的「阿」号作战？以岸基飞机与航空母舰机动舰队挑起海上大决战，以一口气打败盟军主力舰队来扭转劣势。
战前概况
斯普鲁恩斯的第五舰队与特纳的联合远征军部队在进入该海域时即有效压制日军的航空兵力，6月13日斯普鲁恩斯虽然自潜艇部队收到获得日本舰队出动的情报，由于斯普鲁恩斯推断在17日前都不会与日本舰队接触，因此斯普鲁恩斯仍在14日指挥第五舰队主力第58特遣舰队其中的第1与第4支队前去攻击硫磺岛与小笠原群岛的 父岛，把北面的敌军战机清除殆尽。
15日美军在联合远征军部队司令特纳指挥下顺利登陆塞班岛，原本认为日军无力增援的斯普鲁恩斯发出18日登陆关岛的命令，不料同日18时35分，美国潜舰飞鱼号（USS Flying Fish SS…229）在圣贝纳迪诺海峡发现一支日本舰队；19时45分，另一艘美国潜舰海马号（USS Seahorse SS…304）在菲律宾苏里高海峡北部岷答那娥附近也发现另一支日本舰队；17日夜里，又一艘美国潜舰传来接触报告。
依此大量的接触情报来看，斯普鲁恩斯确认日军支持马里亚那的企图，由于双方舰队18日时即可能接触，于是斯普鲁恩斯推迟登陆关岛的时程，17日召回刚毁灭硫磺岛及父岛航空兵力的第1与第4支队，并从特纳的联合远征军舰队抽出8艘巡洋舰、21艘驱逐舰来强化第58特遣舰队的军力，联合远征军的登陆舰队则先开往东方海域避风头，第58特遣舰队则准备与日舰队接战。潜艇的大量接触情报使斯普鲁恩斯以为日本至少动用两支舰队，一支先诱开第58特遣舰队，另一支趁机攻击赛班岛的美军登陆部队。于是斯普鲁恩斯下令确切掌握日本舰队位置之前，第58特遣舰队不得远离赛班岛。一般认为此决定过于保守，使得该海战美军无法给予日军更大的打击。
18日中午，第58特遣舰队集结完毕，斯普鲁恩斯移交战役指挥权给第58特遣舰队指挥官马克？米契尔（Marc Mitscher，时任中将），随后其全部五个特遣群共十五艘航空母舰摆开阵势，其中以七艘战斗舰（其中有两艘世界最强的衣阿华级战列舰）为主的第7支队摆在日本舰队与四个航舰特遣群之间，以防日本水面舰队接近美国航空母舰（有人认为这是给落居海战配角的战舰舰队一次战列决战的机会。），除掩护第7支队的第4支队航空母舰外，其余第1、2、3支队皆部署在战舰舰队后方展开，挡在塞班岛西侧，随时迎接日军攻击到来。
15日晚上6时被美国潜舰飞鱼号于圣贝纳迪诺海峡发现的就是日本舰队主力？？第一机动舰队（由小泽指挥），而15日晚上7时在岷答那娥被美国潜舰海马号发现的另一支日本舰队就是先前参与「浑」作战计划的第一机动舰队另一部分兵力，他们在接获「阿」作战计划命令后立刻终止「浑」作战，赶赴北方与小泽会合。第一机动舰队（以下称小泽舰队）其中共有九艘航空母舰，搭载四百余架飞机，舰队还有五艘战舰（包括两艘世界最大的大和级战舰），分为由小泽亲自率领的甲队、城岛高次海军少将的乙队，以及在往后雷伊泰湾海战中因带领主力舰队的 栗田健男中将所率领的前卫舰队。
小泽并未如同斯普鲁恩斯所设想采取分兵合击策略，而是打算利用日本在关岛、 罗塔岛等地设有航空基地的地利之便，将舰队部署在美国舰载机打击半径以外，同时日本舰载机起飞攻击美舰队，在穿越美军舰队后，飞行至罗塔岛与关岛等地降落加油挂弹准备下一波攻击，实施所谓的“穿梭轰炸”。如此就能大大延长日本舰载机的打击范围，而美国舰队则无法攻击日本舰队。同时，小泽也寄望角田的岸基飞机助他一臂之力，抵销美国舰载机的数量优势，可是马里亚那群岛的日本守军指挥 齐藤义次隐瞒美国舰载机已重创角田航空队的事实，而未告知小泽真实情形，使其无法掌握其与美方的实力对比。
随着小泽舰队进入菲律宾海，双方舰队发觉彼此的存在后，这场史上最大的航空母舰战役与舰载机空战，即将拉开序幕。
马里亚那射火鸡大赛
从中途岛的经验看来，对已知或未知的敌人舰队展开搜索，从而得知敌舰队位置、动向是必要的，因此小泽舰队18日即派出42架侦察机出动搜索并加上马里亚那方面的情报，在与第五舰队保持距离的同时仍获得充分的情报。
同日夜间，第58特遣舰队指挥官米契尔力主连夜西进，发现日本舰队后就全力将其消灭，并同时与第58特遣舰队第7支队司令 威利斯？李（Willis Augustus Lee； Jr，时任海军中将）讨论连夜进击与日本展开夜战的可能，但斯普鲁恩斯仍一如以往谨慎，不以歼灭日本舰队而以掩护赛班为重，下令第58特遣舰队白天西进，晚上便东撤，不得离开能支持塞班的距离，采取保守防御的态度（而非像其在中途岛时冒险发出关键一击），使美国飞行员大失所望。
19日凌晨4时20分，小泽再度派出43架侦察机，清楚掌握美国舰队动向。此时斯普鲁恩斯仍不清楚小泽舰队位置，小泽则不但知道美军在哪里，也晓得美军已经进入日机攻击半径，但本身则还未进入美机打击范围。既然斯普鲁恩斯未能掌握小泽舰队位置，就先命令米契尔消灭在马里亚那已知的敌机力量，与小泽决战之前先解决这方面的敌人。该日早晨第五舰队已击垮了马里亚那的日本航空兵力，并开启当日11小时激烈空战的序幕，同时对关岛与罗塔岛的日军飞机压制，之后小泽舰队的飞机即使成功穿越美军舰队前往马里亚那，也会在降落时被美机重创。不过即使美军要先对付马里亚那方面，但航空母舰飞行甲板仍保留足够飞机随时应付小泽的进攻。
从19日上午正当第五舰队不断搜寻小泽舰队行踪之际，小泽已于8：30派出栗田前卫舰队的飞机共69架发动第一波攻击，8：56从主力的甲队派出最大的一波攻势共128架作为第二波，10：00自乙队派出47架飞机作第三波，11：00又从甲乙两队发出82架飞机作为当日上午最后一波，四波共326架，企图以大量的战机一举击破米契尔的空防。
19日9：50，第一波日机被美军战舰雷达发现，米契尔于10分钟内出动240架飞机（此快速动员舰载机记录至今未破），双方原本在遭遇时，美军飞机应还无法爬升至日机高度，也就是说，这些美军飞机得眼睁睁看着日机从其上方呼啸而过却无法拦截，但日机却浪费宝贵的10分钟对机群重新调整，使美军有时间迅速爬升至与日机相同的高度，并以监听日机指挥官指令改变拦截战术，接下来，以 F6F地狱猫式战斗机为主的美机对已显得落后的日本飞机进行拦截，日机主力零式战斗机太平洋战争初期所向披靡，但也不是已非美国地狱猫式战斗机的对手，飞机数量、质量及自中途岛战役后逐渐拉大的双方飞行员素质，使日机完全无法应付美机的攻击，只能对前方的美军战舰群进攻。
但美军使用新型防空炮弹？装有近炸引信的炮弹，此种炮弹可以侦测飞机是否进入其爆炸杀伤范围，一旦进入其爆炸杀伤范围即会引爆，效率为传统防空炮弹数倍，太平洋战争后期有一半高炮击落的飞机是因为使用VT引信炮弹的缘故，在来年日本发动「神风」自杀攻击时发挥关键作用，使得日机攻击美舰的难度加大。在美国战机与美舰强大防空火炮之拦截下，日本第一波攻击机群损失42架，仅3、4架飞到第7支队上空并命中 南达科他号一枚炸弹，没有一架飞到美国航舰上空。
11时39分，规模最大的日机第二攻击波再度被美国战机拦截，美国F6F战机围着技术欠佳、性能落伍的日机穷追猛打，演变成空中大屠杀，至少70架日机在这波拦截中被击落，同时美军以当时其中一名飞行员的兴奋之语：「这多像古代猎杀火鸡的战场啊！」将当日的空战命名为马利亚那射火鸡大赛（The Great Marianas Turkey Shoot）。20架日机突破重围，14架接着又被第7支队的防空炮火击落，一架天山鱼雷机撞在战斗舰印第安纳号水线附近，但鱼雷未爆炸；另有6架慧星俯冲轰炸机在正午时对第2支队展开攻击，一枚炸弹在胡蜂号上空爆炸，两枚炸弹在碉堡山号近处海中爆炸，两舰受损轻微。第3支队遭受几架鱼雷机攻击，企业号躲掉一枚鱼雷，其它飞机则被美国防空炮火打退。总计第二波日机128架共折损97架，另外侥幸逃生的31架则返回小泽舰队，而美军却几乎未受损失。
虽然第58特遣舰队的舰载机取得对日本舰载机的压倒性胜利，可是始终未能发现小泽舰队并给予打击，当第58特遣舰队面对小泽舰队攻击而未能反击之际，美军的潜艇部队扮演身为水下杀手的关键角色。正当19日8时美日舰载机还未遭遇前，潜舰大青花鱼号（USS Albacore SS…218）潜航时发现了小泽舰队的甲队，盯上日军阵中最大的大凤号航空母舰。上午9时大青花鱼号正要对大凤号发射鱼雷时，却被日军水面舰艇发现而被攻击，又加上潜艇瞄准镜故障，其只能盲目送出6枚鱼雷同时下潜逃离。一名日军飞行员不顾性命用自己与飞机档下其中一枚鱼雷，有一枚仍幸运的击中大凤号，由于该舰装甲雄厚，特别注重防御能力，因此一时并未造成很大的影响，但毕竟这艘航空母舰是针对太平洋战争初期美军颇强的俯冲轰炸攻击而进行防护设计，水线下的舰身对鱼雷防护不足，这个隐忧会在之后显现出来。
中午时分，美军有名的棘鳍号潜舰（USS Albacore SS…218），同样闯入了小泽舰队的甲队舰群中，当时翔鹤号航空母舰因为正进行收回飞机的作业，无法机动规避鱼雷攻击，棘鳍号发射的6枚鱼雷至少有3枚命中翔鹤号，使翔鹤号立时失去战力，并在当日14：32分沉没。
而先前遭鱼雷命中的另一艘航空母舰大凤，油气自管内外泄，弥漫了整个航空母舰的舰体，下午三时因为油气浓度过高，加上舰内人员不慎引起火花，使舰内燃起大火，同时引爆了弹药库，使大凤号腹部接二连三发生大爆炸，使小泽不得不放弃自己的旗舰大凤号，移乘重巡洋舰羽黑离开，但其通讯设施远不足以担任旗舰的重要位置。同时由于移乘造成的混乱，小泽并未得知其飞行员悲惨的下场，还因为日军飞行员那自欺欺人的谎报，以为美国舰队受到严重打击。同日18：28分，大凤号也随翔鹤号沉没在菲律宾海。
正当小泽损失自己的两艘大型航空母舰时，日本舰载机还正飞向马里亚那去攻击美军，日方第三波机群47架并未顺利找到目标，在返航途中于12时55分与第7支队接触，还有一些曾飞到第4支队上空，但都没有任何战果，共7架日机被击落，是当天日机攻势中损失最少、战果也最小的一波。第四波攻击机群于14时飞抵预定海面，也没发现美舰，便分成三路。第一路12架飞往罗塔岛途中发现第2支队，其中6架被F…6F击落，剩余6架投下至近弹击中胡蜂号与碉堡山号，造成再度对其轻微损伤。另18架来自瑞鹤的机群也被美机攻击，损失9架。49架日机抛弃炸弹飞往关岛，被第58特遣舰队发现，便派出27架F…6F加以拦截。美机在日本降落时发动突击，30架日机被击落，其余19架落地后也遭到严重破坏而报销。总计第四波82架最后仅9架能升空再战。
美军追击
19日当天战斗结束时，战役结果已大致分晓。小泽舰队被美国潜舰击沈两艘大型航空母舰，派出的326架舰载机中仅130架返回日本航空母舰，加上角田在关岛折损的50架及随大凤、翔鹤沉没的飞机，日本总损失315架。美方取得史上最大舰载机空战的压倒性胜利，空战中仅仅损失23架，6架飞机在操作意外中损毁，此外仅有两艘航舰、两艘战斗舰受到轻微损伤。
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