根据飞行员的报告，小泽确信第58特混舰队已经受到重创。因此，他命令所属舰只撤出战斗，驶向西北，准备补给燃料后次日再投入战斗。查明损失情况的小泽得知其航空母舰舰载机已由430架减少到100架，便决定将原定攻击延期到21日进行。
当第58特混舰队在罗塔岛以西35海里海域收回最后一架“猎取火鸡”的舰载机时，天色已黑。这时，日军的舰载机已被击溃，斯普鲁恩斯作好了追击日机动舰队的准备。米彻尔留下一个航空母舰特混大队继续封锁关岛和罗塔岛，自己率领其他几个特混大队彻夜向南(略偏西)航进。他所以采取这一不妥当的接敌航向，是因为把日军的位置判断错了。尽管美军舰队的航速比日军的快5节，但是双方之间的距离却没缩小多少。20日上午向西搜索，没有发现目标。米彻尔便在中午改变航向，向西北航进，但是，为了保障侦察机的起飞和降落，不得不数次转向，迎着东风航行，这就耽误了对日本舰队的追击。
追击还在继续进行，然而能否追上似乎希望不大。这是因为，还没有一架美军飞机发现日本机动舰队。自从前一天中午接到“棘鳍”号潜艇袭击“翔鹤”号航空母舰的报告后，米彻尔没再收到有关小泽舰队位置的任何情报。但在16时许，终于等来了盼望已久的报告。一架巡逻机发现，日本机动舰队正在第58特混舰队西北偏西220海里海域向西航行。
可是，日本舰队远在美军航空母舰舰载机的最大战斗活动半径之外。如果米彻尔命令舰载机从这样远的距离、在这么晚的时间实施攻击的话，返航时天色已黑，飞行员必须在夜暗中着舰，但这个科目还未进行过训练。平时，米彻尔对待飞行员有着慈父般的心肠，尽量避免派遣飞行员去执行冒险的空袭任务。可是这时日本机动舰队已经进入美舰载机的战斗活动半径之内，米彻尔认为除实施攻击外，别无其他选择。介是，他果断地下达“全部飞机出击”的命令。
至16时30分，停在飞行甲板上的第1波突击机群战斗机85架、俯冲轰炸机77架和鱼雷机54架已经升空。然后，为了飞机的起飞而迎风航行的第58特混舰队，又恢复了接敌航向，加速前进，以便缩小返航飞机的飞行距离。接着米彻尔就发现一个无法弥补的错误，即侦察机的飞行员报错了日本机动舰队的位置。不久，这位飞行员作了更正。根据后来的更正看来，日本舰队比原来所报的位置远60海里。16时5分，“列克星敦”号航空母舰(米彻尔的旗舰)收到这份更正报告，但因该舰当时的通信量太大，经报务员收录、翻译后，急急忙忙把这份电报送给米彻尔时，攻击已经开始。当小泽舰队继续西进时，第58特混舰队为使飞机起飞，不得不转而向东航行。这样一来，美国航空母舰的舰载机群实际上要飞出300余海里才能实施攻击。所以，第58特混舰队必须以最大航速驶向日本机动舰队，才能大大缩短舰载机的返航航程。