但是，第二波机群在刚刚出发时就遇到了一系列的损失。起飞伊始，就有8架飞机因为引擎故障而被迫放弃出击。飞行军士小松关雄驾驶他的鱼雷机起飞后，发现海面上有一排鱼雷直扑小泽的旗舰“大凤”号航母，于是直接冲入海中，撞毁了一枚眼看就要命中目标的鱼雷。更夸张的是，当机群经过第三航母战队上空时，居然被下面的日寇炮手们当作美机，舰上的防空火力将2架飞机击落，还有8架被打伤，只好返回。这样，在128架飞机组成的攻击编队中，真正飞向美军的实际上只有109架。
更大的损失还不是这些。尽管小松军士用自己的性命为“大凤”号挡住了一枚鱼雷，但还是有一枚鱼雷在击中了“大凤”号。凭借着强壮的身躯，“大凤”号似乎没有受到这枚鱼雷得太大影响，舰上的小泽治三郎也继续自己的工作。这枚鱼雷的来源的后果我们稍后再介绍。
8时，日寇第三攻击波的9架飞机又从第二航母战队3艘航空母舰的飞行甲板上腾空而起，其中包括战斗轰炸机25架、战斗机1架、鱼雷机架，由石见丈三指挥。11时，从第一、第二战队的未出击飞机中拼凑出了83 架飞机组成第四攻击波，包括战斗机30架，俯冲轰炸机6架，鱼雷机架。在出动大批舰载机前往进攻的同时，关岛和南方的加罗林群岛上的日寇陆基航空部队也倾巢出动，准备与机动部队协同作战并增援马里亚纳群岛上的日寇。
美军方面，舰队雷达在6时30分发现关岛上空出现了一批不明目标，“贝劳伍德”号航母的战斗机随即奉命从关岛西北约150公里处的巡逻空域前往关岛空域，以观察那边的情况。时20分，他们抵达指定位置时，发现大群日机正在从奥罗特机场起飞，飞行员立即爬升高度并呼叫支援。随后，从美军航母起飞的战斗机赶往关岛，但他们没有捕捉到日寇飞机。
此后不到一个小时，美军舰队的雷达再次探测到西南方向130公里处的大批飞机，正飞往关岛，这些正是从南方诸岛和特鲁克前往增援关岛、罗塔岛的日寇岸基飞机。美军3个特混战斗群的12艘航母各起飞12架“地狱猫”战斗机前往拦截，在日机航路上与其展开激战。战斗持续1个小时，以所有“地狱猫”被母舰召回为止，美军总共击落了33架日本战斗机和5架轰炸机，日寇其余飞机则在关岛的奥罗特机场着陆。不难看出，这些飞机并不打算进攻美军舰队，他们的主要目的在于吸引美军的注意，分散他们的兵力，为舰载航空兵的作战创造战机。
当时美军的大型舰队航母每艘载有33—0架战斗机。轻型航母2架左右。有几艘航母上还额外载有几架夜间战斗机。为了对付这些日机，每艘航母出动12架“地狱猫”，这个负担对于各个战斗机中队来说的确不算小。但是由于日寇飞机缺乏协调，岸基飞机到达时间太早，美机截击这批飞机之后可以从容地降落、补给，然后再次升空迎战日寇主力。可以说，这些陆基飞机实际上没有发挥什么作用，日寇“与陆基兵力协同作战”的目的并没有达成。
10时，第58特混舰队中许多舰艇的雷达都发现舰队以西20公里处有一群不明目标。5分钟后，舰队已是警报大作，10时23分，第58特混舰队转向迎风方向，以22节航速向南偏东航行。同时，那些待命的飞行员也进入了座舱。仅仅8分钟后，10架战斗机紧急起飞，在空中巡逻的美军战斗机一下子增加到了将近200架。那些早就装好炸弹准备攻击日本机动部队的轰炸机也紧随其后离开母舰，前往舰队东面的安全空城兜圈子，以免遭到无谓的损失并殃及母舰。航空母舰空出甲板，继续迎风航行，以随时接受降落的战斗机，为其加油装弹或更换飞行员。
10时36分，当日寇第1攻击波次的69架飞机还在离美舰100公里处时，与美军VF-15战斗机中队相遇，其他 个战斗机中队也很快赶到，恶战随之爆发。几分钟后，25架日机坠入大海，美军也损失了3名飞行员。但还是有架日机突破了防空战斗机的拦截，向美军舰队扑来。庆幸的是，许多日本飞行员并没有勇敢地直取美军舰队主，倒是美军舰队最前方的2艘前哨驱逐舰出人意料地遭到了许多日寇飞机的集中攻击。这些驱逐舰虽然火力薄弱，但却极其灵活，舰上水兵们一边用所有的高射炮向日机疯狂射击。一边拼命扭动着舰体闪避日寇的炸弹，一番交火下来，驱逐舰没有打下飞机，飞机也没能伤着军舰。这样的情景在太平洋战场上已经不是第一次出现了，192年中途岛战役的最后阶段，清扫战场的美军俯冲轰炸机也曾遭遇到这样的尴尬，攻击轻便灵活的小型目标并不是俯冲轰炸机的强项。
另一部分日寇飞机则冲向了美军战列舰队的上空，“南达科他”号战列舰被命中一弹，上层建筑左前方的主甲板上被炸开一个大坑，切断了周围的管线，舰体虽未受到太大的破坏，但是弹着点周围的甲板人员却死伤惨重，2人被炸死，2人受伤。日寇第一攻击波在战列舰队面前最终耗尽了力量，69架飞机中只剩下2架飞机回到母舰。
11时分，一个更大的机群出现在了美舰雷达的屏幕上，这一回是日寇第二攻击波的109架飞机。这一次. 美军的战斗机没有再像大半个钟头前那样仓促了。为了对付这支日寇，美军的战斗机引导官组织了162架战斗机前往截击，当天双方各自组织的最大规模的机群在距离美军舰队几十公里处迎头相遇。在不到20分钟的外围空战中，至少有0架日本飞机被击落，而美军只损失了6架飞机和3名飞行员。
30余架日机最终突破了美军战斗机的拦截，冲向第58航母舰队上空，为了避免日寇攻击美军舰艇编队，空战也从外围一路打到舰队上空。日寇飞机除了要摆脱后面追击的美军战斗机，在舰队上空担任巡逻任务的战斗机也挡在了他们面前，双方战机数量是130比30。
日寇6架战斗轰炸机攻击了“邦克山”号航母，该舰被两枚炸弹击伤，死3人，伤3人，升降机和机供油管道被炸坏、并引起了火灾，好在火势迅速被扑灭。
“黄蜂”号航母被一枚炸弹击中，死1人，伤12人，攻击的6架日机中有架被击落。此外，还有3架日本鱼雷机攻击了“企业”号和“普林斯顿”号航母，都被击落。至此，日寇第二攻击波次的109架飞机只有31架返回了本方母舰。
日寇第3波次飞机起飞后不久，就因通讯故障分成了两个机群。其中一组由29架飞机组成的机群在途中收到母舰关于美军舰队向北移动的通报，遂改变航向。当到达指定位置后，并没有发现美军舰队的踪影，又转而南下。这个阴差阳错的举动，意外地让日寇机群成功地躲过了美军在舰队西面部署的拦截机群。所幸闻讯赶来的0架美军飞机在舰队以北80公里处，截住了日机的路线。日寇机群指挥官担心会有更多的美军战斗机拦截，遂在交战几分钟后，已经损失架飞机的日寇攻击机群放弃突击美军舰队，掉头返回本方母舰。
另一个20架飞机的日寇机群也收到了美舰队北移的通报，在指定位置没有搜索到美军舰船后，完好无损地返回了母舰。
1时，日寇的第四攻击波83 架飞机又接近了美军所在的区域，但他们被错误地引导到58特混舰队南面180公里，关岛西南150公里的区域。日本人发现在他们的目标区域什么也找不到的时候，机群立刻分成了3部分∶18架飞机掉头飞回自己的母舰，第一航空战队的15架飞机继续飞往罗塔岛，第二战队的50架飞机则朝关岛飞去。
1时23分，飞往罗塔岛的那15架飞机鬼使神差地绕开了美军战斗机的外围防线，闯入第58特混大队第2战斗群上空，日机随即改变航向转入进攻。他们俯冲下来攻击了巡洋舰“莫比尔”和航空母舰“黄蜂”号、“邦克山”号。其中，“邦克山”号航母再次被一枚小型炸弹击中，所幸并不严重。日机则在美舰铺天盖地的高炮火力下，付出了9架飞机的代价。
1时9分，来自日本第二航母战队的50架飞机接近了关岛并在岛屿的附近丢弃了所携带的炸弹准备降落。但出乎他们意料的是，即使是日寇基地的上空，也不是他们的安全区。当这些飞机到达关岛的时候，来自美军“约克城”号、“考彭斯”号、“埃塞克斯”号、“大黄蜂”号和“企业”号航空母舰的2 架舰载战斗机正在这里巡逻。在这场战斗中表现最突出的是“企业”号上迪瓦中尉率领的一支战斗机小队。这架“地狱猫”恰巧在最适当的时机出现在了最佳的位置上，在10分钟内击落了11架日机。其他参战的美军飞行员也大多有战果入账。一场恶战之后，50架日机中的31架被击落，另外19 架挣扎着逃回机场的飞机也由于跑道被毁而受到严重损伤，绝大多数已无法修复。
此外，飞返母舰的18架日机中，又有9架飞机在美机的追击中被击落，另有5架飞机在返航途中坠毁或者是在降落后报废。这样，连同着陆后报废的飞机在内，日寇第四攻击波的83架飞机总共损失了3架。
至此，日本海军航空兵部队在19年6 月19日向美第58特混舰队发动的一连串凶猛攻击全部结束。这场规模巨大的空战从早晨6时30分美军战斗机前往关岛日寇基地上空确认情况开始，一直持续到下午3时日寇舰戟机在关岛迫降后才告结束，进行了八个半小时。
从上午10时以后，日本联合舰队连续出动了个波次共310架舰载机（另有2批参战的陆基飞机未计入）前往进攻美军舰队，损失221架，仅有89架幸存。美军的损失则只有23架，另有6架由于技术故障而坠毁，1名飞行员阵亡，美军的损失数字还包括了被马里亚纳群岛上日寇防空火力击落的飞机。
时间再调回到19日的早晨时，担任搜索任务的美军“大青花鱼”号潜艇发现了日寇舰队。此时，日舰上第二波次攻击机群正在从航母上陆续起飞，所有舰船都没有发现美军潜艇已经闯入舰队所处的海域。时10分，潜艇一口气发射了6枚鱼雷，然后立即撤离，其中一枚鱼雷击中小泽治三郎的旗舰“大凤”号航母。
9时8分，另一艘美军潜艇“棘鳍”号悄悄地摸到了日本第一航母战队的南面，发现了正在回收巡逻机的“翔鹤”号。“棘鳍”号的艇长赫尔曼科斯勒少校看见这艘巨大的“翔鹤”级航空母舰正迎着东南风破浪而行，驱逐舰“浦风”号紧紧伴随在母舰身旁，2艘重巡洋舰行驶在航母的左前方。在三次升起潜望镜进行瞄准校正后，“棘鳍”号向“翔鹤”号右舷射出6条鱼雷。此刻，“翔鹤”号和护卫舰上的观察哨都在努力搜索着天空中可能降临的危险，却没有注意到脚下悄悄逼近的潜艇。当终于有人发现这些从右前方破浪而来的鱼雷时，已经太晚了。“棘鳍”号射出鱼雷50秒后，第一枚鱼雷命中了“翔鹤”号的航空汽油罐；又过了 秒，第二枚鱼雷撞在了3号和5号锅炉舱之间的防水舱壁上；第三枚鱼雷击中舰桥前方舰体里的弹药；第四枚则击中距离舰首不到20米的地方。
几乎同时被四枚鱼雷击中的“翔鹤”号航母瞬间变成了一个巨大的火球，大火穿过机甲板，引爆了停在那里的几架刚刚着陆或者刚加上料的飞机，将中部升降机彻底炸毁。升降平台从滑轨上脱落下来，把几个操作员当场砸死。
重创“翔鹤”号的远不仅仅是从汽油罐里爆发出来的火球，由于正在进行舰载机补给作业，“翔鹤”号的油管道里充满了航空汽油，火焰立刻沿着这些管道扩散，最后集中在机甲板上，把那里变成了一座巨大的熔炉，舱壁上那些金属输油管道在内外高温的炙烤下不断爆裂，把一阵阵火雨洒向舱室的各个角落。
烈火引爆了弹药传送带上排放着的各种弹药，日本船员尸体的碎块在甲板上随处可见。12时30分，“翔鹤”号航母舰长下令弃舰，这艘25000吨的航空母舰在冲天的烈焰中被炸成一堆扭曲的金属，船上1263名船员和机组人员丧命。
当“翔鹤”号在烈火中挣扎的时候，邻近的“大凤”号上的情况也开始恶化起来。命中“大凤”号的那枚鱼雷打在了军舰的前部升降机部位舰体的左舷，造成了少量进水，震裂了附近的储油罐，并把前升降机卡在了最高位置上（即与飞行甲板齐平的位置）。原本这一损伤并不严重，维修队很快排出积水，并使储油罐不再漏油。至于升降机，虽然一时无法维修，对作战影响也不大。
但是有一个问题却是舰上的日本水兵们对付不了的，舰上锅炉使用的轻质原油挥发出的可性气体正不停地从储油罐的裂缝中向外散溢出来。“大凤”号的损管队长认为，要降低这些可气体带来的危险，正确的做法是打开舰体内部的所有通风口、让这些气体散布到整个舰体中，从而得到稀释。但是这些缺乏经验的损管队员却忽略了一点，“大凤”号采用的是封闭式机设计，油蒸汽难以排出舰体，若不能及时放空储油罐避免油的进一步挥发，整个舰体内部空间中可气体的浓度迟早会达到爆炸的临界值。
几个小时后，这个临界点达到了。13时30分，就在“翔鹤”号爆炸沉没后不久，一阵巨大的爆炸也震撼了这艘日本海军最新、最大、号称坚不可摧的航空母舰。人们看见“大凤”号的半个飞行甲板被从舰体上撕了下来，连带着甲板上停着的飞机一道被抛入大海。
13时，小泽治三郎将自己的将旗挂到了“瑞鹤”号航母上。1时8分，“大凤”号航母和舰上1650名船员消失在太平洋海面。
经过一天的激战，日寇第1机动部队已经损失了两艘重型航母，舰载飞机还剩下169架，关岛和加罗林群岛的岸基飞机也基本损失殆尽。由于一部分舰载飞机还在关岛机场，所以小泽治三郎决定舰队原地等待飞机返回，并计划第二天再次与美军决战。
此时，米切尔命令舰队全速向西行驶，以便于在战役的后半段捕捉到日寇舰队，向他们发动进攻。不过，让米切尔困惑的是派出去的侦察机还是没有找到日寇舰队的位置。16时，米切尔终于接到侦察机报告，在距其舰队约238海里（00多公里）处发现小泽的第1机动舰队。战机稍纵即逝，米切尔冒险决定对日寇舰队发起夜间攻击。