В первом приняли участие 69 самолетов в составе восьми торпедоносцев, сорока пяти истребителей-бомбардировщиков и шестнадцати истребителей. В 10 час 30 мин американский командующий 58-м оперативным соединением адмирал Митшер оповестил свои корабли об ожидаемой атаке и приказал держать истребители в боевой готовности. Слабая подготовка японских пилотов сказалась на результатах атаки. Из 69 самолетов 42 не вернулись на свои авианосцы. Лишь немногие из них смогли прорваться и произвести атаку на корабли американцев. Удару подверглось соединение тяжелых кораблей из семи линкоров и четырех тяжелых крейсеров. Хорошо налаженная противовоздушная оборона не позволила японским самолетам провести прицельное бомбометание. Только одна бомба попала в линкор «Сауд Дакота». (Этот корабль был «излюбленной» целью японских летчиков в течение всей войны.) Это было первое и последнее попадание бомбы в американские корабли за весь последующий бой.

Около 9 час с японских авианосцев стартовала вторая группа из 129 самолетов. В 60 милях от авианосцев они были перехвачены американскими истребителями и потеряли 70 машин. Еще 16 самолетов сбили истребители во время отражения атаки японцев на корабли. 11 сбитых самолетов на счету средств ПВО кораблей. Атака успеха не принесла, и корабли американцев попаданий не имели. Единственной потерей от близкого разрыва бомбы стало трое убитых и семьдесят три раненых из команды авианосца «Банкер Хилл».

В третьем налете участвовало 47 японских самолетов. Часть из них не нашла американских кораблей и вернулась на свои авианосцы. Из этой группы японцы лишились семи самолетов, но ничего не добились.

Четвертый налет 82 самолетов начался в 11 час 30 мин. Японские самолеты были перехвачены в 45 милях от кораблей американцев. Часть из них сумела прорваться к авианосцам, но успеха также не имела. Только девять самолетов вернулись на авианосцы и остров Гуам неповрежденными. Остальные либо были сбиты, либо имели такие повреждения, что для боя уже не годились. В целом за четыре налета Озава потерял более половины своих самолетов.

Совершая свои атаки на корабли противника, японский флот оказался в районе патрулирования американских подводных лодок. В 8 час 16 мин подводная лодка «Эльбакор» обнаружила японское соединение. Сократив дистанцию, она выпустила шесть торпед по большому авианосцу. Это был новый и самый мощный «Тайхо». В этот момент он поднимал свои самолеты для удара по американским кораблям. Первый самолет, поднявшийся в воздух, обнаружил следы торпед, идущих на авианосец. Летчик спикировал на торпеду и, пожертвовав собой, отвел удар одной из них. Тем не менее одна торпеда все же достигла цели. Авианосец получил незначительные повреждения. Однако это попадание стало впоследствии смертельным для огромного корабля. Дело в том, что, испытывая затруднения с мазутом, японцы иногда заправляли корабли сырой нефтью. Торпеда повредила емкость с топливом. Пожара не произошло, но пары летучих ингредиентов нефти стали распространяться по кораблю. Было принято решение «продуть» корабль. Это привело к тому, что пары распространились по всему кораблю, и в 15 час 32 мин корабль взорвался. Адмирал Озава уцелел и перешел на крейсер «Хагуро».

Другая подводная лодка, «Кавэлла», в 11 час 50 мин обнаружила еще один авианосец. С дистанции в пять кабельтовых она выпустила шесть торпед. Авианосец «Сёкаку» получил три (по японским данным четыре) попадания и был тяжело поврежден. В 15 час он взорвался и затонул.

Наконец адмирал Митшер получил (от подводных лодок) сообщение о месте нахождения противника. Авиационная разведка американцев в дневное время была не эффективна, а к ночи вообще прекратилась.

Начало следующего дня было относительно мирным. Японские корабли принимали топливо и подсчитывали потери. Перейдя с «Хагуро» на авианосец «Дзукакку», адмирал Озава наконец узнал о величине потерь самолетов. У него осталось только 100 машин. Однако он не отказался от решительных действий (считая, что и американцы понесли значительные потери) и перенес атаку на 21 июня.

Наконец и американская воздушная разведка проявила себя. Почти двое суток она не могла обнаружить противника, и вот теперь это удалось. Более того, самолет-разведчик обнаружил японское соединение в момент, когда корабли принимали топливо, то есть были весьма уязвимы. В 16 час 20 мин американские авианосцы развернулись против ветра и подняли в воздух 85 истребителей, 77 пикирующих бомбардировщиков и 54 торпедоносца. Атака неприятеля в конце дня и на предельной дальности полета приводила к ночной посадке возвращавшихся самолетов на авианосцы.

Это грозило большими потерями, но игра стоила свеч, и Митшер рискнул.

Первыми японскими кораблями, обнаруженными американскими пилотами, были танкеры. Однако летчики пренебрегли ими и пошли дальше искать добычу посерьезнее. Японские авианосцы шли тремя группами. Первые две группы, включавшие шесть авианосцев, прикрывались линкорами и тяжелыми крейсерами. Корабли шли в тесном ордере (линкоры всего в 8 кабельтовых от авианосцев). Озава надеялся восполнить недостаток самолетов плотным зенитным огнем тяжелых кораблей. Сам адмирал на «Дзуйкаку», охраняемом двумя тяжелыми, одним легким крейсерами и восемью эсминцами, шел в 18 милях несколько позади остальных кораблей. Видимо, старый адмирал был готов пожертвовать частью кораблей и самим собой во имя спасения остальных. Многочисленным американским самолетам японцы могли противопоставить не более 75 своих.

Бой над японским соединением продолжался всего около 20 мин. В результате боя авианосец «Хийо» был потоплен торпедами, а «Дзунё» получил значительные повреждения. Тяжелые повреждения получил и флагман «Дзуйкаку». В какой-то момент его положение стало критическим, и было принято решение покинуть корабль. Однако аварийная команда сумела справиться с повреждениями и пожарами, и корабль сумел дойти до Японии. Кроме указанных кораблей повреждения получили авианосец «Чиода», линкор «Харуна» и тяжелый крейсер «Мая».

Как и предполагал Митшер, американским самолетам пришлось возвращаться в темноте. Ночная посадка привела к значительным потерям самолетов, но все же они были много меньше, чем у японцев. Из участвовавших в боях 19 и 20 июня 373 японских самолетов уцелело только 35. Американцы за эти дни потеряли 130 самолетов. Из них 80 упали в море, не долетев до своих кораблей, или погибли при посадке.

Так закончился этот бой, показавший, кто теперь хозяин в море. Роль артиллерийских кораблей, в том числе и крейсеров, оказалась весьма скромной. На их счету из многочисленных сбитых в боях самолетов приходится только несколько машин.

В период между боями в Филиппинском море и за Филиппинские острова американцы провели ряд операций у западных Каролинских островов. Был совершен ряд рейдов на острова Бенинсима, Минданао, Визайяс и другие. Были высажены десанты на острова Пелелиу и Ангауре. В этот период Япония понесла большие потери в самолетах (около 1000 машин), кораблях и судах (около 130 единиц). В результате, захватив Западные Каролинские острова, американцы приобрели передовые базы, имевшие первостепенное значение в предстоящих операциях против Филиппин.