当日军的第1波突击机群在离第58特混舰队70海里空域变换队形时，美军利用一种性能优良的电波指示器，引导“恶妇”式战斗机接敌。美机升入高空，然后居高临下地对缺乏训练的日机编队进行突然袭击，一举击落日机25架。虽有数架日机突防成功，飞临美舰艇编队上空，但遭到高炮(使用空炸炮弹)的猛烈抗击。一架轰炸机向“明尼阿波利斯”号重巡洋舰投弹，并有一颗炸弹在其附近爆炸。有一架日机轰炸并击中了“南达科他”号战列舰，造成多人伤亡，但未使军舰受到多大损伤。日军仅有27架飞机返回航空母舰；而美军除一架飞机外，其余全部返回航空母舰。
小泽从其主力中派出128架飞机编成第2波突击机群出击，但刚刚飞出50海里，就遭到“恶妇”式战斗机群的截击，飞机损失近半。后来突防成功，飞临美军编队上空的日机又有多架被击毁。飞抵美航空母舰编队上空的数架日机中，有2架轰炸机投下的炸弹落在“邦克山”号航空母舰近旁，引起大火；另有一架日机撞到李海军中将的旗舰“印第安纳”号的舰舷上。这次出击的日机只有31架返回航空母舰。
由47架舰载机组成的第3波突击机群，其中的大部分飞机没有发现第58特混舰队。日机这次出动，未给美军造成任何损伤，自己反而损失7架飞机。小泽的最后1波突击机群由82架舰载机组成，编为3个分队。一个分队在离美舰尚远时即受到截击，飞机损失过半。另一个分队虽然飞临美航空母舰编队的上空，但是仅有几颗炸弹投在美舰附近，使美舰受到轻微损伤，而自己几乎全部被歼。第3个分队丧失了投弹机会，把炸弹投到海上后飞向关岛。但又遭到“恶妇”式战斗机的截击，30架被击落；其余19架试图在弹痕累累的跑道上强行着陆，也遭到严重损失。第4波突击机群的飞机只有11架返回了航空母舰。
这次作战历时8个小时，日本海军航空兵损失惨重，美国飞行员把这次海上空战比作是“猎取马里亚纳火鸡”。当海上的空战打得正酣时，2艘美国潜艇悄悄穿过日主力舰队警戒薄弱之处，攻击了2艘大型航空母舰。其中之一就是小泽的旗舰，这艘新造的“大凤”号航空母舰被“大青花鱼”号潜艇发射的一条鱼雷击中。3小时后，“棘鳍”号潜艇攻击了久经疆场的“翔鹤”号航空母舰，又有3条鱼雷命中目标。这两艘航空母舰的油舱破裂，婆罗洲原油的油烟和爆炸性瓦斯充斥全舰。虽经损管队奋力排险，然而，要想制止险情的发展毕竟还是无能为力的。
午后，这2艘航空母舰爆炸沉没，舰员伤亡惨重。幸存的人员中，有小泽及其参谋们，他们从正下沉的“大凤”号航空母舰转移到巡洋舰，后来小泽又把他的司令部转移到“瑞鹤”号航空母舰。