19日凌晨4时20分，小泽再度派出43架侦察机，清楚掌握美国舰队动向。此时斯普鲁恩斯仍不清楚小泽舰队位置，小泽则不但知道美军在哪里，也晓得美军已经进入日机攻击半径，但本身则还未进入美机打击范围。既然斯普鲁恩斯未能掌握小泽舰队位置，就先命令米契尔消灭在马里亚那已知的敌机力量，与小泽决战之前先解决这方面的敌人。该日早晨第五舰队已击垮了马里亚那的日本航空兵力，并开启当日11小时激烈空战的序幕，同时对关岛与罗塔岛的日军飞机压制，之后小泽舰队的飞机即使成功穿越美军舰队前往马里亚那，也会在降落时被美机重创。不过即使美军要先对付马里亚那方面，但航空母舰飞行甲板仍保留足够飞机随时应付小泽的进攻。
从19日上午正当第五舰队不断搜寻小泽舰队行踪之际，小泽已于8:30派出栗田前卫舰队的飞机共69架发动第一波攻击，8:56从主力的甲队派出最大的一波攻势共128架作为第二波，10:00自乙队派出47架飞机作第三波，11:00又从甲乙两队发出82架飞机作为当日上午最后一波，四波共326架，企图以大量的战机一举击破米契尔的空防。
19日9:50，第一波日机被美军战舰雷达发现，米契尔于10分钟内出动240架飞机（此快速动员舰载机记录至今未破），双方原本在遭遇时，美军飞机应还无法爬升至日机高度，也就是说，这些美军飞机得眼睁睁看着日机从其上方呼啸而过却无法拦截，但日机却浪费宝贵的10分钟对机群重新调整，使美军有时间迅速爬升至与日机相同的高度，并以监听日机指挥官指令改变拦截战术，接下来，以 f6f地狱猫式战斗机为主的美机对已显得落后的日本飞机进行拦截，日机主力零式战斗机太平洋战争初期所向披靡，但也不是已非美国地狱猫式战斗机的对手，飞机数量、质量及自中途岛战役后逐渐拉大的双方飞行员素质，使日机完全无法应付美机的攻击，只能对前方的美军战舰群进攻。
但美军使用新型防空炮弹—装有近炸引信的炮弹，此种炮弹可以侦测飞机是否进入其爆炸杀伤范围，一旦进入其爆炸杀伤范围即会引爆，效率为传统防空炮弹数倍，太平洋战争后期有一半高炮击落的飞机是因为使用vt引信炮弹的缘故，在来年日本发动「神风」自杀攻击时发挥关键作用，使得日机攻击美舰的难度加大。在美国战机与美舰强大防空火炮之拦截下，日本第一波攻击机群损失42架，仅3、4架飞到第7支队上空并命中 南达科他号一枚炸弹，没有一架飞到美国航舰上空。
11时39分，规模最大的日机第二攻击波再度被美国战机拦截，美国f6f战机围着技术欠佳、性能落伍的日机穷追猛打，演变成空中大屠杀，至少70架日机在这波拦截中被击落，同时美军以当时其中一名飞行员的兴奋之语：「这多像古代猎杀火鸡的战场啊！」将当日的空战命名为马利亚那射火鸡大赛（the great marianas turkey shoot）。20架日机突破重围，14架接着又被第7支队的防空炮火击落，一架天山鱼雷机撞在战斗舰印第安纳号水线附近，但鱼雷未爆炸；另有6架慧星俯冲轰炸机在正午时对第2支队展开攻击，一枚炸弹在胡蜂号上空爆炸，两枚炸弹在碉堡山号近处海中爆炸，两舰受损轻微。第3支队遭受几架鱼雷机攻击，企业号躲掉一枚鱼雷，其它飞机则被美国防空炮火打退。总计第二波日机128架共折损97架，另外侥幸逃生的31架则返回小泽舰队，而美军却几乎未受损失。
