日軍的決戰計劃原是聯合艦隊司令古賀峰一海軍大將主持制定的，代號爲“阿號作戰”。但古賀於3月31日在前往菲律賓途中座機遭遇暴風，機毀人亡。接替他的是豐田副武海軍大將。在其上任的第二天，即5月3日，就接到了大本營發起“阿號作戰”的指令，隨即向所屬各部下達了作戰指令。但日軍大本營錯誤地判斷加羅林羣島是美軍即將開始的進攻地點，因而疏忽了馬里亞納羣島的防禦。
根據“阿號作戰”計劃，第五岸基航空隊和第一機動艦隊的艦載航空兵將對來犯之敵實施兩面夾擊，以抵消美軍航母編隊艦載機在數量上的優勢。第五岸基航空隊分爲三部分，分別部署在帛琉、馬里亞納和雅浦三地，每一處的航空隊都擁有戰鬥機、轟炸機、攻擊機和偵察機，一旦判明美軍的攻擊方向，該地的航空隊立即轉移，以避其鋒芒，然後再集中全力組織攻擊。
最開始計劃中規定如美軍進攻馬里亞納，將不動用小澤的第一機動艦隊，而只出動岸基航空兵迎敵，後來由於分配給小澤的油船數量有所增加，才改爲小澤的艦隊也加入馬里亞納的作戰。小澤的機動艦隊最初大部停泊在林加錨地，小部停泊在瀨戶內海，都在抓緊進行戰前訓練。根據聯合艦隊下達的“阿號作戰”指令，於5月11日和12日分別起航，5月14日和15日先後到達菲律賓南部的塔威塔威。讓他們沒想到的是，美軍潛艇在塔威塔威海域頻繁活動，因此他們根本無法進行海上練習。此外，塔威塔威島上又沒有合適的飛行訓練基地，第一機動艦隊中的飛行員都是一些沒有什麼作戰經驗的年輕飛行員。這與美軍相比，相差懸殊。
■馬里亞納海戰
6月15日凌晨，美軍北部登陸編隊的30餘艘運輸艦、40餘艘坦克登陸艦和27艘警戒艦隻到達塞班島西側加臘潘附近海域，陸戰2師和陸戰4師開始換乘。5時許，艦炮火力支援羣和護航航母支援羣對登陸地點的日軍防禦工事進行最後的火力準備。8時30分，第一批登陸部隊共8個營分乘600餘輛兩棲履帶車和兩棲坦克向正面寬度約6公里的登陸灘頭衝擊，8時44分，第一波美軍上岸，9時許，第一批部隊陸續上岸。
那日軍方面是什麼情況呢？早在6月9日，日軍偵察機就發現停泊在馬朱羅錨地的大批美艦忽然失蹤，由此推測美軍即將發動一場大規模的進攻，豐田副武便於次日命令各部作好戰鬥準備。但日軍最大的錯誤便是認爲美軍的主攻方向是在新幾內亞羣島西北部和加羅林羣島西部，將帛琉羣島海域作爲決戰地域。6月11日，美軍航母編隊開始襲擊馬里亞納羣島，日軍仍認爲這是美軍牽制性的行動。直到6月13日，美軍登陸編隊出現在塞班島海域，並開始炮擊塞班島，這才清楚美軍的意圖，豐田於當天下午17時30分下令暫停在新幾內亞羣島比阿島的“渾號作戰”，準備實施“阿號作戰”，並命令第1機動艦隊和第5岸基航空部隊調去參加“渾號作戰”的部隊火速歸還建制。
第5岸基航空部隊已在“渾號作戰”中遭到不小的消耗，很多飛行員還得了“登革熱”病無法執行作戰任務。因此，日軍只得從橫須賀海軍航空兵中抽調120架飛機組成八個航空隊，由鬆永貞市中將任司令，火速南下參戰。
小澤率機動艦隊參加除“渾號作戰”以外的軍艦，13日從塔威塔威出發，前往吉馬拉斯島完成戰前訓練，就在航行途中接到豐田實施“阿號作戰”的指令，一面率領艦隊北上，一面命令宇桓纏中將指揮參加“渾號作戰”的艦隻火速返回。14日黃昏小澤所部到達吉馬拉斯島，立即連夜進行補給，15日一早就進入太平洋。16日15時與宇桓率領的艦隻在薩馬島以東海域會合，一齊東進。17日15時30分，機動艦隊所有軍艦進行了海上加油完成了最後的戰鬥準備。小澤命令補給船隻西撤，自己率領9艘航母（共搭載艦載機439架）、5艘戰列艦、14艘巡洋艦和31艘驅逐艦繼續向東。不久就接到豐田發來的準備戰爭的電報，其具體內容是：“皇國興廢，在此一戰，全體將士務須全力奮戰！”小澤隨即在旗艦“大鳳”號航母主桅上升起了“Z”字旗，這是日本海軍勝利的象徵，小澤如此做無非是想借這面旗幟重振士氣。
小澤將機動艦隊分爲三部隊：第一航空戰隊（本文以下簡稱甲隊）由小澤親自指揮，共有3艘大型航母、4艘巡洋艦和12艘驅逐艦，艦載機214架；第二航空戰隊（本文以下簡稱乙隊）由城島高次少將率領，共1艘大型航母、2艘輕型航母、1艘戰列艦、1艘巡洋艦和7艘驅逐艦，艦載機135架；第三航空戰隊（本文以下簡稱丙隊）爲前衛，由粟田健男中將指揮，共有3艘輕型航母、4艘戰列艦、9艘巡洋艦和12艘驅逐艦，艦載機90架。甲乙兩隊在丙隊後方約100海里處跟進。各部均以航母爲核心排成環形隊形。小澤計劃利用日機作戰半徑大於美機的優勢，與美軍艦隊保持一定距離，先以馬里亞納羣島的岸基航空兵攻擊美軍，再以航母艦載機從超遠距離起飛，攻擊完美軍後在馬里亞納羣島機場降落，這樣就能使日軍艦隊始終處在美軍攻擊範圍之外。
表面上這是個不錯的計劃，但馬里亞納羣島上的絕大部分岸基航空兵已經被美軍消滅，而島上的日軍爲了面子沒有如實將情況通報給小澤，小澤並不知道實情。
13日，美軍“小銀魚”號潛艇就發現了從塔威塔威出發的小澤艦隊。15日傍晚，“飛魚”號潛艇發現剛駛出聖貝納迪諾海峽的小澤艦隊。15日深夜，“海馬”號潛艇則發現了在蘇里高海峽東南航行的宇桓艦隊。斯普魯恩斯接到上述潛艇的報告，知道日軍至少有兩支艦隊正向塞班島駛來，考慮到日軍常採取分兵合擊迂迴包抄的戰術，爲確保登陸編隊的安全，斯普魯恩斯決定推遲對關島的進攻，計劃在關島登陸的部隊暫向東規避。16日斯普魯恩斯與特納商量了戰局，確定以應付日軍艦隊的進攻爲當務之急，並臨時從登陸編隊中抽調重巡洋艦5艘、輕巡洋艦3艘、驅逐艦21艘，加強航母編隊的警戒力量。同時命令北上攻擊硫磺島的兩個特混大隊迅速返回，集中全力對付日軍艦隊。
14日北上的第一、第四特混大隊15日、16日連續兩天對硫磺島及父島、母島進行了空襲，共擊毀日機約130架，並嚴重破壞了這些島嶼的機場，美軍只損失飛機4架，徹底消除了日軍硫磺列島地區的岸基航空兵協同小澤艦隊夾擊美軍的企圖。16日下午17時，第一、第四大隊收回了出擊的飛機開始南返，並於18日中午在提尼安島以西150海里與第二、第三大隊會合，當58特混編隊的4個大隊會合後，斯普魯恩斯判斷日軍可能以航母艦載機先在美軍飛機攻擊距離之外發動空襲，然後到塞班島和關島機場降落加油掛彈，再飛回航母，中途還能再次對美軍艦隊進行打擊，最後再以戰列艦和巡洋艦實施炮火攻擊。因此他決定組建一支由戰列艦和巡洋艦組成的編隊，部署在航母編隊以西海域，構成第一道屏障。如果日機前來攻擊，首先就會遭到該編隊的防空炮火攔截，這樣就可以轉移對航母編隊的攻擊，減輕航母編隊的壓力；如果日軍戰列艦殺來，也必須先和該編隊交鋒，可以有效掩護航母編隊，保存空中打擊力量。17日14時，下達了這個作戰計劃，根據這一計劃米切爾抽調快速戰列艦7艘、重巡洋艦4艘和驅逐艦14艘，組成新的特混大隊，由威利斯·李海軍中將指揮，部署在最西側海域。此時，58特混編隊就變成了5個大隊，共有15艘航母、7艘戰列艦、24艘巡洋艦和74艘驅逐艦，航母艦載機共891架，加上戰列艦、巡洋艦所搭載的水上飛機共計965架。18日下午，美軍五個大隊均呈環形防空隊形，每個大隊之間相距十二至十五海里，所有航母都與風向成90度，以便隨時轉向逆風起飛飛機或順風接受飛機降落，至此美軍已完成了臨戰準備。
但直到黃昏，派出的多架偵察機也沒發現日軍艦隊，斯普魯恩斯爲防備日軍從側翼迂迴攻擊登陸灘頭，特地指示米切爾不要遠離馬里亞納羣島，白天西進，入夜後則東返。天黑後第58特混編隊最遠到達距塞班島西南270海里處，仍未發現日軍艦隊，便掉頭東返。深夜，珍珠港的美軍無線電測向站根據偵聽到的日軍無線電信號，報告日軍艦隊在特混編隊西南355海里。米切爾覺得應改變預定計劃，乘着天亮前的幾小時西進，以便將日軍艦隊納入艦載機的攻擊範圍，次日拂曉發起攻擊，馬上將這一意圖向斯普魯恩斯請示。斯普魯恩斯接到米切爾的請示，立即在旗艦的作戰室召集參謀軍官研究，儘管他也很想抓住這一戰機，消滅日軍的航母部隊，但謹小慎微的他認爲還是應該以保護登陸編隊和登陸灘頭爲首要任務，而且日軍艦隊的具體確切位置，無線電測向與潛艇報告的還有出入，鑑於現在還無法確定，因此答覆米切爾，在切實掌握日軍艦隊位置之前，暫不西進。這使得米切爾和特混大隊的司令極爲不滿，但米切爾還是服從了。米切爾擔心日軍艦隊和馬里亞納羣島的岸基航空兵實施兩面夾擊，雖然塞班島機場已被美軍登陸部隊攻佔，但關島和羅塔島的機場還有日軍飛機，因此，米切爾先發制人於19日清晨出動飛機攻擊這兩島嶼上的日軍機場，將正準備起飛的35架日機大部消滅，並破壞了機場設施，消除了腹背受敵的隱患。同時率領艦隊向西南航行，隨時準備攻擊來犯的日軍艦隊，然而直到此時還未查清日軍艦隊的具體位置。
那麼日軍艦隊在哪兒呢？實際上小澤從18日起就派出多架偵察機嚴密搜索，並於下午發現了美軍艦隊，只是因天色將黑，己方的飛行員多未接受過夜航訓練，纔沒出動飛機，而是命令丙隊向東，自己則率甲乙兩支編隊向南，在美軍飛機作戰半徑之外過夜，等待次日天亮後再出擊。19日日出前，小澤就先後派出了戰列艦和巡洋艦所攜帶的44架水上飛機進行偵察，15分後，就數次接到發現美軍艦隊的報告。他知道日機沒有美機的裝甲防護和自封油箱，作戰半徑比美軍大100海里，達300海里，現在正是進行超遠距離穿梭攻擊的大好機會，便下令攻擊。
7時25分，日軍第一攻擊波丙隊64架飛機在中本道次郎大尉指揮下出擊，其中戰鬥機14架、魚雷機7架、戰鬥轟炸機43架。9時，美軍通過雷達在150海里外發現日機，米切爾命令甲板上待命的所有飛機起飛，戰鬥機前去攔截日機，轟炸機和魚雷機則因爲日軍艦隊在攻擊距離之外只得向東規避到安全空域，美軍共有250架F6F“惡婦”戰鬥機起飛迎戰，上升到7600米高度由航母上的空中控制官引導接敵，在距航母70海里上空對日機進行居高臨下的攻擊，一舉擊落25架，美機僅損失1架。其餘日機突破美機攔截攻擊了美軍的戰列艦編隊，只有“南達科他”號戰列艦被命中一枚炸彈，死27人，傷23人。在美艦密集的高射炮火射擊下，又有16架日機被擊落，日機共損失41架，僅23架得以返回母艦。
8時05分，日軍第二攻擊波甲隊128架飛機由深川靜夫大尉爲空中指揮，其中戰鬥機48架、魚雷機27架、轟炸機53架。剛起飛，一架轟炸機就發現海面上有六條射向“大鳳”號航母的魚雷航跡，便按下機頭將其中一條魚雷撞毀。
就在日軍第二攻擊波機羣起飛時，美軍“大青花魚”號潛艇突破了日艦的警戒圈，向“大鳳”號航母齊射6.條魚雷，有一條被剛起飛的轟炸機撞毀，由於“大鳳”號正在組織艦載機起飛，無法進行規避，一條魚雷命中右舷前部升降機附近艦。但經過有效的損管措施，“大鳳”號仍能保持戰鬥航行，似乎並不在意這顆魚雷。但航母所使用的婆羅洲原油揮發性很高，而魚雷爆炸撕裂了輸油管道，原油蒸汽慢慢從管道的裂口裡揮發出來，在通風性極差的封閉機庫裡逐漸積聚，在中雷的6小時後，機庫內積聚的原油蒸汽發生了大爆炸，火勢迅速蔓延，甚至將裝甲飛行甲板都燒得嚴重變形扭曲，繼而全艦停電，大火又引爆了彈藥艙，使得航母內部的大爆炸接二連三，小澤見情況不妙，先令“若月”號驅逐艦靠幫接下艦員，再改以“羽黑”號重巡洋艦爲旗艦，“大鳳”號於16時28分沉沒，有1650名艦員隨艦葬身大海。
從菲律賓海域跟蹤小澤艦隊的“刺鰭”號潛艇緊接着也突破了日艦的警戒，向“翔鶴”號航母發動了攻擊，齊射了6顆魚雷，3顆魚雷直接命中，海水從炸開的破口洶涌而入，航母內部也燃起大火，並不時發生爆炸，艦體很快產生傾斜，14時10分沉沒，有1271名艦員喪生。而“刺鰭”號隨即遭到日軍驅逐艦長達3小時的追蹤，總共承受了105枚深水炸彈的攻擊，“刺鰭”號憑藉着靈活的機動，只受了輕傷，擺脫日艦攻擊後返回塞班島。
8時40分，日軍第二攻擊波機羣經過前衛丙隊時，被誤爲美機遭到射擊，損失2架。
10時許，遭到了美機攔截，空戰進入**，作戰經驗豐富的美軍飛行員大開殺戒，“埃塞克斯”號航母的戰鬥機大隊長麥坎貝爾中校身先士卒，率隊向日機猛衝猛打，一舉擊落4架；“列克星頓”號航母的弗雷西爾中尉衝入日機機羣，在60米的近距連連開火，僅耗彈360發就擊落6架日機。在美機打擊下，日機不斷中彈墜海，甚至出現同時有15架飛機起火墜毀的壯觀場面，一位美軍飛行員在無線電裡興奮地大叫：“這真像古代的獵火雞啊！”於是，這場激烈的海空大戰就以“馬里亞納獵火雞”而名垂青史！
日機約有20餘架拼死突破了美機的攔截，飛臨美軍艦隊上空時，又遭到了美艦的高炮火力射擊，由於美軍高射炮使用了新式的近炸引信，命中率很高，日機又有十餘架被擊落，最後只有6架飛機向美艦發動了攻擊，“邦克山”號航母被兩枚近失彈擊傷，死3人，傷73人，升降機和機庫供油管道被炸壞，並引起了大火，但被迅速撲滅；“黃蜂”號航母被一枚炸彈擊中，死1人，傷12人；還有一架日機被擊中後擦着李海軍中將的旗艦“印第安納”號戰列艦的右舷墜入海中，使戰列艦負了輕傷。日軍這一攻擊波，共損失飛機97架，其中轟炸機40架，魚雷機24架和戰鬥機33架，另有2架轟炸機在返航途中因傷勢過重而墜海，返回母艦的僅29架。