19日當(dāng)天戰(zhàn)斗結(jié)束時，戰(zhàn)役結(jié)果已大致分曉。小澤艦隊被美國潛艦擊沉兩艘大型航空母艦，派出的326架艦載機(jī)中僅130架返回日本航空母艦，加上角田在關(guān)島折損的50架及隨大鳳、翔鶴沉沒的飛機(jī)，日本總損失315架。美方取得史上最大艦載機(jī)空戰(zhàn)的壓倒性勝利，空戰(zhàn)中僅僅損失23架，6架飛機(jī)在操作意外中損毀，此外僅有兩艘航艦、兩艘戰(zhàn)斗艦受到輕微損傷。

原本美軍第58特遣艦隊19日白天不斷派出偵察機(jī)，欲尋找日本艦隊并殲滅之，但在小澤艦隊的戰(zhàn)術(shù)使用下而未成功探查到日艦的蹤影。同日15時，鑒于日本“分兵合擊”的顧慮逐漸消除，斯普魯恩斯終于準(zhǔn)許米切爾第二天朝日本艦隊前進(jìn)。鑒于飛行員已在白天的空戰(zhàn)中消耗不少體力，米切爾并未在夜間派出偵察機(jī)，20日上午一面西進(jìn)一面派機(jī)偵察，仍一無所獲。因為19日夜間小澤艦隊轉(zhuǎn)往西北，暫時避開跟第58特遣艦隊的接觸并進(jìn)行加油，小澤意圖第二日再度派出其剩余百余架的艦載機(jī)，同時計劃聯(lián)合已飛往馬里亞那加油添彈的艦載機(jī)一同襲擊美艦（但大部分飛往馬里亞那的艦載機(jī)已被擊落）。

20日上午，小澤再移乘其所在的甲隊唯一剩余的航空母艦瑞鶴號，此時由于通訊改善，下午1時小澤終于得知前一天空戰(zhàn)的結(jié)果，由于大量艦載機(jī)損失，小澤僅剩百余架飛機(jī)可以出擊，即使如此小澤仍打算協(xié)同陸基航空隊對美軍再進(jìn)行一次打擊，小澤正決斷之時，前衛(wèi)艦隊司令栗田自旗艦愛宕號重巡洋艦向小澤通報：美第58特遣艦隊向己方逼近，距離已不到300海里。

20日15:40分面，企業(yè)號的一架偵察機(jī)發(fā)現(xiàn)小澤艦隊，自海戰(zhàn)展開30個小時以來，第五艦隊終于首度發(fā)現(xiàn)一直躲藏在偵察距離外的敵艦隊?？蓵r機(jī)卻極為尷尬，因為雙方艦隊距離275海里，第58特遣艦隊若發(fā)動進(jìn)攻則將使其艦載機(jī)面臨危險的夜間降落。米切爾雖然左右為難，但為免坐失戰(zhàn)機(jī)，依舊發(fā)下唯一有可能的指令：出擊！16:21分第58特遣艦隊第1、2、3支隊（除掩護(hù)第7支隊?wèi)?zhàn)斗艦的第4支隊外）派出216架飛機(jī)進(jìn)攻，啟動這場海戰(zhàn)中第五艦隊唯一一次的攻勢。16:15分日軍方面也發(fā)現(xiàn)美艦隊，17點25分甲隊唯一的航空母艦瑞鶴出動7架魚雷機(jī)去攻擊，前衛(wèi)部隊的栗田中將也因為收到夜戰(zhàn)命令而向東進(jìn)。但美軍飛機(jī)已先趕到日艦上空，開始攻擊日艦。

被美機(jī)發(fā)現(xiàn)后，小澤下令艦隊向西北各自高速逃脫，并拋棄補給艦隊。18:40分，美機(jī)抵達(dá)補給艦隊上空，重創(chuàng)兩艘油輪，兩艦后來都被迫自沉。隨后一心想尋找日本航空母艦的美機(jī)群飛到日本艦隊上空，日落前展開匆忙的攻擊。輕型航空母艦飛鷹號被一枚魚雷擊中，引發(fā)大火，2小時后沉沒，而航母隼鷹、龍鳳、千代田、瑞鶴、戰(zhàn)艦伊勢、重巡摩耶都被炸彈擊傷，其中小澤的旗艦瑞鶴傷勢較重。日本在這波攻擊中又損失65架飛機(jī)，美國則損失20架。由于小澤下令各艦自行運動及美國艦載機(jī)攻擊過于匆忙，因此這波攻擊成果并不特別出色。

20時45分，大批燃料即將耗盡的美機(jī)在夜色中回到艦隊上空。雖然米切爾下令整個艦隊不惜冒著被日軍潛艇攻擊的危險打開照明燈，航空母艦以探照燈直射天空，驅(qū)逐艦也發(fā)射照明彈。但由于各機(jī)油料殆盡，加上200架飛機(jī)同時聯(lián)絡(luò)艦隊所造成的通訊混亂，許多飛行員無視于降落信號燈官的指令爭先恐后地?fù)湎蚣装澹瑢?dǎo)致許多混亂與意外。在此回夜間降落中，美機(jī)損失80架。諷刺的是，聯(lián)合艦隊的全力攻擊只使敵手損失40架飛機(jī)，竟不及夜間降落對美軍造成的損失。

由于驅(qū)逐艦徹夜搜索因為油料用盡而墜海的飛行員，因此僅49名飛行員在夜間降落中喪命（仍比日本艦隊攻擊與空戰(zhàn)的損失的27人多）。搜救行動造成的混亂使第58特遣艦隊幾乎停止反潛作業(yè)，幸虧艦隊未受日軍潛艇攻擊，卻又再耽擱寶貴的2小時。19點40分左右，聯(lián)合艦隊長官豐田副武大將向小澤發(fā)布脫離與美軍接觸的命令，小澤便中止“阿”號作戰(zhàn)撤退了。第58特遣艦隊追擊無法成功，海戰(zhàn)因此結(jié)束了。

美國第五艦隊第58特遣艦隊在這場海戰(zhàn)中重創(chuàng)日本海軍主力第一機(jī)動艦隊，一舉奪得西太平洋的制海權(quán)同時鞏固在塞班建立起的陣地，美軍僅付出76人陣亡、損失123架飛機(jī)、四艘軍艦輕傷的極小代價，給予敵人三艘航空母艦、兩艘油輪及600架飛機(jī)的巨大傷害。戰(zhàn)役中，日軍航空母艦3艘、油艦2艘被擊沉，航空母艦4艘以及戰(zhàn)列艦、巡洋艦、油船各1艘被擊傷，損失飛機(jī)395架；美軍航空母艦2艘、戰(zhàn)列艦2艘、巡洋艦1艘受輕傷，損失艦載機(jī)126架。

雖然無法再給予敵人更大的傷害，仍是一場決定性的大海戰(zhàn)，使日本航空母艦部隊無力再與美軍抗衡，只能在4個月后菲律賓萊特灣海戰(zhàn)中成為誘餌，悲慘的被全數(shù)殲滅。以后馬里亞納完全被美軍控制，如同兩周前盟軍諾曼底登陸突破納粹德國的大西洋壁壘一般，日本“絕對國防圈”慘遭突破，美國陸軍航空兵（1947年改為美國空軍）的大型遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)B-29得以進(jìn)駐，日本最大的夢魘——美軍轟炸機(jī)投下大量燃燒彈摧毀整座城市的可怕情景將深深烙印在他們心中。