如果小泽选择在19日晚间或者20日上午主动北上，本来是可以保住残余的一点兵力的，但他对进攻始终念念不忘，最终付出了代价——傍晚16点05分，也就是日军侦察机发现TF58前一小时，美军航母“企业号”的一架侦察机也在北纬14度30分、东经134度30分附近找到了“瑞鹤号”。此时TF58正在罗塔岛以西370海里处航行，距离日舰约275海里，米切尔中将报告在“印第安纳波利斯号”巡洋舰上坐镇的斯普鲁恩斯：他决定马上派飞机对日舰进行追击。16点21分，TG58.1、TG58.2、TG58.3三个大队的11艘航母转向逆风方向，起飞了85架F6F战斗机、51架SB2C轰炸机、26架SBD轰炸机和54架TBM攻击机，216架飞机一路朝西边飞去。
经过一个半小时的飞行，晚上19点左右，美国飞机到达小泽舰队上空。当时太阳已经西沉，新月高挂在东方的天空，日本舰队上空被紫红色的断云覆盖。美机分成四个编队分别向小泽的军舰俯冲：50架飞机攻击“瑞鹤号”及其护航舰，40架攻击“乙部队”，20架攻“丙部队”，最后35架攻击补给船。小泽起飞了27架零战和7架战斗轰炸机进行拦截，巨大的“大和号”战列舰发射了18英寸对空弹，企图激起水幕冲击美国鱼雷机。
美国海军官方战史对20日的这次空袭评价不高：大部分TBM攻击机携带的是炸弹而非鱼雷，它们对军舰的航行能力很难构成直接威胁。对迟缓的补给舰的攻击是最成功的，给油舰“玄洋丸号”和“清洋丸号”先后被454公斤炸弹炸成重伤，最终由友舰击沉。少数鱼雷机攻击了第二航空战队的航母“飞鹰号”，命中一枚鱼雷，该舰失去动力后瘫痪在海面上，随后被美军潜艇击沉。“瑞鹤号”等舰则借着夜幕的掩护勉强幸存了下来。
在美机追歼小泽舰队的同时，“瑞鹤号”的7架“天山”正在东面的海上苦苦搜寻着目标，但始终没能找到TF58。晚间22时许，有3架“天山”掉队失踪，小野大尉只能带着剩下4架飞机朝母舰返航，迫降在驱逐舰附近。此时小泽终于意识到大势已去，不过他依然命令栗田率战列舰和重巡洋舰组成游击部队，准备在夜间以火炮对美舰实施进攻。大概是觉得这样的安排形同儿戏，晚上20点45分，丰田副武向“瑞鹤号”发去电报：“机动部队应根据当前情况伺机与敌军脱离接触，并按指挥官命令行动。”一个半小时后，栗田部队朝西返航，与伤痕累累的航母一起退出了战场。
世界海战史上规模最大的航母决战就这样结束了。双方的两位指挥官一个勇猛、一个谨慎，表现各有千秋。斯普鲁恩斯在1952年的一封信中承认，如果他在6月19日主动出击，也许会比坐等小泽来袭效果更好。但他想到塞班岛登陆的意义，想到“征粮者作战”的目标，决定放弃赌博，把重心放在保护登陆场上。与之相反，小泽治三郎可以说在自己设想的最有利条件下发动了进攻，战术安排也是挖空心思，但他的部队已经不具备实现预定战术的能力了。从这个角度说，菲律宾海之战（日方称马里亚纳海海战）的确是一场决定皇国兴废的“新对马海战”，只是乘兴而来、凄惨而归的换成了日本人罢了。
整个战役最后的高潮发生在6月20日晚上。美军攻击队返回母舰时已近深夜，即使是最老练的飞行员也难以找到航母的飞行甲板。为了接回这些勇士，米切尔决定冒着被日本潜艇发现的危险，开启灯光。一瞬间，菲律宾海的海面被通明的探照灯光映成了白昼，所有的航空母舰都打开了红色桅杆灯，有些军舰还发射了信号弹。醒目的光柱刺破了深沉的夜空，天空中挂满了五颜六色的信号弹，将这片海域装点得犹如和平时期的狂欢节，又像神话中的世界。一位飞行员开玩笑说：“好莱坞的彩排、中国的春节和美国的独立纪念日凑到一块儿了！”
空中的飞机纷纷朝着最近的灯光靠过去。由于燃料耗尽，有80架飞机不得不在水面迫降或坠毁，这个数字比日本人在两天的混战中击落的总数还要多。