米彻尔看到有关日本舰队准确位置的报告后，曾经考虑召回已出击的机群返航，但是研究了海图以后，决定不召回第1波突击机群，仅仅取消了第2波突击机群的起飞准备。
落日前，第58特混舰队的飞行员发现低速行驶的日本油船数艘。有几架美机去袭击这几艘油船，并击沉2艘。其余美机则向西北作扇形搜索，以追踪日本航空母舰部队。经过连续突击，美轰炸机群炸毁了“千代田”和“瑞鹤”号航空母舰的飞行甲板，并使这2艘航空母舰起火，还炸伤战列舰和巡洋舰各一艘。数架“复仇者”式鱼雷机从云隙间俯冲下来，在低空成功地发射了鱼雷，有1至2条鱼雷击中“飞鹰”号航空母舰。该舰因大火引起舱内爆炸，舰体断裂，从舰首开始逐渐下沉，最后沉入海底。这是这次击沉的唯一的一艘战斗舰只。
小泽命令剩下的75架飞机起飞抗击，这些刚刚经过马里亚纳海战考验的日军舰载机打得很出色。日军的高射炮火和猛扑过来的“零式”战斗机相互配合，击落20架美军飞机，但是日军的损失更大。到6月20日日落时日本机动舰队的舰载机仅仅剩下35架了。
美航空母舰舰载机群完成战斗任务后，开始向第58特混舰队的方向返航。但有几架轰炸机和鱼雷机的油量表已经远远低于满载油量的一半，个别飞机的油量表指针甚至接近于零，处于危险状态。有些损伤严重的飞机首先坠人大海；接着，那些不注意节约汽油的飞行员也随着飞机落入海中；也有一些飞行员想赶在黄昏之前着舰，竟浪费了一些汽油；甚至还有一个分队通过无线电约定，待燃料耗尽后一同降落在海面上。
米彻尔命令他的3个航空母舰特混大队加大相互之间的距离，以便飞机着舰时能有更大的机动余地。秒针在不停地嗒嗒嗒转动，米彻尔在海图室与舰桥之间忐忑不安地踱来踱去。20时刚过，负责对空指挥的参谋报告：返航的第1批飞机即将临空。于是，美航空母舰特混舰队转而向东迎风航进，以便回收返航的飞机。
米彻尔回到海图室坐了下来，一面默默地吸着香烟，一面沉思起来。假如他解除特混舰队的灯火管制，打开探照灯，就能救起在海上迫降的多数飞行员；可是，这就暴露了本舰队的位置，有可能受到日本潜艇和航空兵的攻击。然而，米彻尔知道，他必须营救落水的飞行员，这不仅出于人道主义的考虑，而且是因为，如果航空母舰丧失了舰载机，它就不再是一种资本，而只能是一个累赘。于是他命令参谋长阿利·伯克海军上校：“开灯”。米彻尔的这种作法并非没有先例。中途岛海战时，为了在夜间回收返航的飞机，斯普鲁恩斯就曾果断地开灯。中途岛海战时，米彻尔任“大黄蜂”号航空母舰舰长。阿利·伯克(绰号是“31节·伯克”)在所罗门作战中因率驱逐舰编队屡建战功而负盛名；在空袭帛琉之前，他被任命为第58特混舰队的参谋长。