再说美军“小银鱼”号潜艇13日发现从塔威塔威出发的小泽舰队。15日傍晚，“飞鱼”号潜艇发现刚驶出圣贝纳迪诺海峡的小泽舰队。15日深夜，“海马”号潜艇则发现了在苏里高海峡东南航行的宇桓舰队。斯普鲁恩斯接到上述潜艇的报告，知道日军至少有两支舰队正向塞班岛驶来，考虑到日军常采取分兵合击迂回包抄的战术，为确保登陆编队的安全，斯普鲁恩斯决定推迟对关岛的进攻，计划在关岛登陆的部队暂向东规避。16日斯普鲁恩斯与特纳商量了战局，确定以应付日军舰队的进攻为当务之急，并临时从登陆编队中抽调重巡洋舰5艘、轻巡洋舰3艘、驱逐舰21艘，加强航母编队的警戒力量。同时命令北上攻击硫磺岛的两个特混大队迅速返回，集中全力对付日军舰队。
14日北上的第1、第4特混大队15日、16日连续两天对硫磺岛及父岛、母岛进行了空袭，共击毁日机约130架，并严重破坏了这些岛屿的机场，美军只损失飞机4架，彻底消除了日军硫黄列岛地区的岸基航空兵协同小泽舰队夹击美军的企图。16日17时，第1、第4大队收回了出击的飞机开始南返，并于18日中午在提尼安岛以西150海里与第2、第3大队会合，当第58特混编队的4个大队会合后，尼米兹提醒斯普鲁恩斯判断日军可能以航母舰载机先在美军飞机攻击距离之外发动空袭，然后到塞班岛和关岛机场降落加油挂弹，再飞回航母，中途还能再次对美军舰队进行打击，这就是所谓的“穿梭轰炸”，最后再以战列舰和巡洋舰实施炮火攻击。因此他决定组建一支由战列舰和巡洋舰组成的编队，部署在航母编队以西海域，构成第一道屏障。如果日机前来攻击，首先就会遭到该编队的防空炮火拦截，这样就可以转移对航母编队的攻击，减轻航母编队的压力；如果日军战列舰杀来，也必须先和该编队交锋，可以有效掩护航母编队，保存空中打击力量，并于17日14时下达了作战计划。根据这一计划米切尔抽调快速战列舰7艘、重巡洋舰4艘和驱逐舰14艘，组成新的特混大队，由威利斯·李海军中将指挥，部署在最西侧海域。此时，第58特混编队就变成了5个大队，共有15艘航母、7艘战列舰、24艘巡洋舰和74艘驱逐舰，航母舰载机共891架，加上战列舰、巡洋舰所搭载的水上飞机共计965架。
6月17日，美“棘鳍”号潜艇在北纬12度23分、东经132度26分处发现约15艘日舰正以20节的航速向马里亚纳开进。日军企图把舰队置于盟军侦察机的活动范围之外。美太平洋舰队潜艇部队司令下令潜艇向西南方向移动250海里，挡住敌军舰艇的去路。
斯普鲁恩斯根据潜艇的多次来电确定，海面上至少有两支日本编队，他担心登陆塞班岛的美军遭受日舰队的“腹背攻击”，因而要求米切尔的兵力在未接到命令前，不要离开马里亚纳群岛。
据美军情报分析，日军机动舰队由小泽治三郎海军中将指挥。他的舰队拥有9艘快速航空母舰，而美军第58特混舰队有15艘。在即将开始的战斗中，无论是舰艇和飞机的数量，还是海员及飞行员的素质，美军都占有优势。但小泽也有一定的有利条件：日军经过改制的轰炸机和鱼雷机已成功地把战斗距离延伸到400海里，而美机仅能在280海里的半径中作战。同时，小泽还可以在关岛、罗塔岛和雅普岛等处日本机场加油加弹，从而大大提高战斗效率。
美军尽管存在不利条件，但尼米兹以及太平洋舰队的领导人对即将来临的决战还是充满了必胜的信心。有新闻记者问：“日本广播电台宣称，‘一场大海战即将开始’，你对此有何看法？”尼米兹回答：“我希望他们讲的是真话。我真不知道怎样才能把他们引出来打一场大仗。”
18日下午，美军5个大队均呈环形防空队形，每个大队之间相距12~15海里，所有航母都与风向成90度，以便随时转向逆风起飞飞机或顺风接受飞机降落，至此美军已完成了临战准备。但直到黄昏，派出的多架侦察机也没发现日军舰队，斯普鲁恩斯为防备日军从侧翼迂回攻击登陆滩头，特地指示米切尔不要远离马里亚纳群岛，白天西进，入夜后则东返。天黑后第58特混编队最远到达距塞班岛西南270海里处，仍未发现日军舰队，便掉头东返。深夜，珍珠港的美军无线电测向站根据侦听到的日军无线电信号，报告日军舰队在特混编队西南355海里。米切尔觉得应改变预定计划，乘着天亮前的几小时西进，以便将日军舰队纳入舰载机的攻击范围，次日拂晓发起攻击，马上将这一意图向斯普鲁恩斯请示。斯普鲁恩斯接到米切尔的请示，立即在旗舰的作战室召集参谋军官研究，尽管他也很想抓住这一战机，消灭日军的航母部队，但谨小慎微的他认为还是应该以保护登陆编队和登陆滩头为首要任务，而且日军舰队的具体确切位置，无线电测向与潜艇报告的还有出入，鉴于现在还无法确定，因此答复米切尔，在切实掌握日军舰队位置之前，暂不西进。这使得米切尔和特混大队的司令极为不满，他们认为将第五十八特混编队这样一支具有极强突击力的舰队仅作为登陆编队的守护者，实在是大材小用了。战后，斯普鲁恩斯也因为这样一个保守谨慎的决策而遭致很多人的指责。但米切尔还是遵照他的命令，19日拂晓将编队部署在塞班岛西南90海里。
米切尔和他的飞行员为此大失所望，认为斯普鲁恩斯使他们坐失良机。米切尔痛苦地抱怨道：“敌人跑了，它曾一度处于我攻击范围内。”飞行员普遍埋怨“这是非飞行员指挥飞行员带来的结果”。
直到第二次世界大战结束，才证明斯普鲁恩斯的战术是完全正确的。从缴获的日军档案来看，6月19日那天，斯普鲁恩斯凭他的运气或直觉把第58特混舰队部署在最理想的位置上。
当时，小泽已将最强大的高射火炮舰艇组成了3个环形大队，每个大队中间有1艘轻型航空母舰，并置于重型航空母舰100海里之前。米切尔的飞机若要攻击重型航空母舰，必须穿过密集的高射炮火以及敌先头舰队的空中攻击，然后，再往前飞行100海里；返航时仍要飞行100海里，还要受到上述高射炮火和舰载敌机的拦击。如果米切尔果真实施这种打法，他的飞机损失将会是灾难性的。
米切尔担心日军舰队和马里亚纳群岛的岸基航空兵实施两面夹击，虽然塞班岛机场已被美军登陆部队攻占，但关岛和罗塔岛的机场还有日军飞机，因此，米切尔先发制人，于19日清晨出动飞机攻击这两岛屿上的日军机场，将正准备起飞的35架日机大部消灭，并破坏了机场设施，消除了腹背受敌的隐患。同时率领舰队向西南航行，随时准备攻击来犯的日军舰队，然而直到此时还未查清日军舰队的具体位置。
小泽的舰队到底在哪？小泽吸取中途岛海战的经验教训，从18日起就派出多架侦察机严密搜索，并于下午发现了美军舰队，只是因天色将黑，己方的飞行员多未接受过夜航训练，才没出动飞机，而是命令丙队向东，自己则率甲乙两支编队向南，在美军飞机作战半径之外过夜，等待次日天亮后再出击。19日日出前，小泽就先后派出了战列舰和巡洋舰所携带的44架水上飞机进行侦察，6时45分后，就数次接到发现美军舰队的报告，美军舰队在己方前卫300海里外，本队400海里外，他知道日机没有美机的装甲防护和自封油箱，作战半径比美军大100海里，达300海里，现在正是进行超远距离穿梭攻击的大好机会，便下令攻击。
日本侦察机回电报告说，美国舰队在海面上几乎集结了全部兵力，其兵力的分布是：
第一舰群，大型航空母舰2艘，战舰15艘；
第二舰群，大型航空母舰3艘，军舰20艘；
第三舰群，大型航空母舰2艘，军舰16艘；
第四舰群，航空母舰4艘，各种军舰30艘。
把上述侦察结果进行综合分析，得知美舰队除了7艘大型航空母舰之外，还配备了轻型航空母舰8艘以上，护卫航空母舰10艘以上，其他军舰总计达80艘。后来得知，当时美舰队的总兵力实际上是：大型航空母舰7艘，轻型航空母舰8艘，护航航空母舰14艘，战列舰14艘，重型巡洋舰10艘，轻型巡洋舰11艘，防空巡洋舰4艘，驱逐舰86艘，合计154艘——显然，这是一支实力相当庞大的舰队。美国海军在同一海域集结这么大的兵力，其目的就是在马里亚纳群岛海面挑起一场日美海军的大决战。
当时，日本侦察机所发现的只是美军第一线兵力，另外，还有约1/3的兵力在100海里以外的后方海域上待机，其用意是当两军厮杀之后各俱伤亡时，以此精锐的力量再发动第二次会战，以期最后歼灭日本舰队。由此可知，美舰队实力之雄厚是相当惊人的。日美之间的兵力为1∶3。
★小泽中将的计划
令人吃惊的是，小泽中将态度安然，对胜利充满了信心。原来，在此次海战中，他计划以不损失日本航空母舰一根毫毛而将美航空母舰，尤其是大型航空母舰吃掉一半，从而取得决定性的胜利，真可谓胆量如斗，斗志高昂，计谋周全。原来，小泽中将心中早有自以为万无一失的作战方法，那就是“外围歼击”战术。
按一般常规，等距离的相互厮杀，敌我双方的损失应该是相同的。如果真如此，日本舰队不仅不能取胜，反而因势力逐渐减弱而最终导致失败。因此，唯一的方法就是必须从对方火力达不到的位置上全力杀出，而且，日方还必须首先发现敌人。如果具备这两个前提的话，日本舰队取得海战的胜利也并不是不可能的。日本“52”型战斗机和“彗星”、“天山”轰炸机以及鱼雷攻击机都已把战斗半径成功地扩大到400海里。据推断，美国的各种类型的飞机由于“格拉曼”战斗机续航力的限制，往返行程仅达220-280海里。因此，日本决定采取的战法是：从380海里的距离上实施第一次进攻，给美舰以先发制人的打击。在敌人混乱之际，再发起200海里乃至250海里的相互攻击。
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。
3.“马里亚纳猎火鸡”
7时25五分，日军第一攻击波丙队64架飞机在中本道次郎大尉指挥下出击，其中战斗机14架、鱼雷机7架、战斗轰炸机43架。战斗轰炸机是日军因在1943年10月圣克鲁斯海战中，轰炸机几乎损失殆尽，而战斗机则大部平安返回情况下发展起来的，即将战斗机挂载60公斤炸弹，后经过改装，使战斗机可以挂载250公斤炸弹，实施对舰攻击，1943年底开始进行此项训练，至现在已经成为机动舰队的主要攻击手段。
9时，美军通过雷达在150海里外发现日机，米切尔命令甲板上待命的所有飞机起飞，战斗机前去拦截日机，轰炸机和鱼雷机则因为日军舰队在攻击距离之外只得向东规避到安全空域，美军共有250架F6F“恶妇”战斗机起飞迎战，上升到7600米高度由航母上的空中控制官引导接敌，在距航母70海里上空对日机进行居高临下的攻击，一举击落25架，美机仅损失1架。其余日机突破美机拦截攻击了美军的战列舰编队，只有“南达科他”号战列舰被命中一枚炸弹，死27人，伤23人。在美舰密集的高射炮火射击下，又有16架日机被击落，日机共损失41架，仅23架得以返回母舰。一位美飞行员说：“日本飞机像树叶一样地往下落。”
8时5分，日军第二攻击波甲队128架飞机由深川静夫大尉为空中指挥，其中战斗机48架、鱼雷机27架、轰炸机53架。刚起飞，一架轰炸机就发现海面上有六条射向“大凤”号航母的鱼雷航迹，便按下机头将其中一条鱼雷撞毁。
8时40分，日军第二攻击波机群经过前卫第三航空战队时，被误为美机遭到射击，损失2架。
10时许，遭到了美机拦截，空战进入高潮，作战经验丰富的美军飞行员大开杀戒，“埃塞克斯”号航母的战斗机大队长麦坎贝尔中校身先士卒，率队向日机猛冲猛打，一举击落4架；“列克星顿”号航母的弗雷西尔中尉冲入日机机群，在60米的近距连连开火，仅耗弹360发就击落6架日机。美军战斗机如同牧童放羊一般，只要日机企图分散开，就以猛烈火力将其赶回队形，再集中火力射击队形密集的日机，在美机打击下，日机不断中弹坠海，甚至出现同时有15架飞机起火坠毁的壮观场面，一位美军飞行员在无线电里兴奋地大叫：“这真像古代的猎火鸡啊！”于是，这场激烈的海空大战就以“马里亚纳猎火鸡”而名垂青史！
日机约有20余架拼死突破了美机的拦截，飞临美军舰队上空时，又遭到了美舰的高炮火力射击，由于美军高射炮使用了新式的近炸引信，命中率很高，日机又有10余架被击落，最后只有6架飞机向美舰发动了攻击，“邦克山”号航母被两枚近失弹击伤，死3人，伤73人，升降机和机库供油管道被炸坏，并引起了大火，但被迅速扑灭；“黄蜂”号航母被一枚炸弹击中，死1人，伤12人；还有一架日机被击中后擦着李海军中将的旗舰“印第安纳”号战列舰的右舷坠入海中，使战列舰负了轻伤。日军这一攻击波，共损失飞机97架，其中轰炸机40架，鱼雷机24架和战斗机33架，另有2架轰炸机在返航途中因伤势过重而坠海，返回母舰的仅29架。
9时，日军第三攻击波乙队49架飞机，其中战斗轰炸机25架、战斗机17架、鱼雷机7架，由石见丈三少佐担任空中指挥。起飞后，有16架战斗轰炸机和4架战斗机与大队失散，便自成一队向目标海域飞去，一直飞出350海里也未找到美舰，于14时返回母舰。石见率领的其余飞机在途中接到母舰通报美军舰队新位置，但飞抵新位置后没有发现，就再转向旧目标位置，结果与美军约40架战斗机遭遇，双方随即展开空战，日军有5架战斗轰炸机、1架鱼雷机和1架战斗机被击落，并失去了攻击美军舰队的战机，只得返回母舰。
