美军追击
19日当天战斗结束时，战役结果已大致分晓。小泽舰队被美国潜舰击沈两艘大型航空母舰，派出的326架舰载机中仅130架返回日本航空母舰，加上角田在关岛折损的50架及随大凤、翔鹤沉没的飞机，日本总损失315架。美方取得史上最大舰载机空战的压倒性胜利，空战中仅仅损失23架，6架飞机在操作意外中损毁，此外仅有两艘航舰、两艘战斗舰受到轻微损伤。
原本美军第58特遣舰队19日白天不断派出侦察机，欲寻找日本舰队并歼灭之，但在小泽舰队的战术使用下而未成功探查到日舰的踪影。同日15时，鉴于日本「分兵合击」的顾虑逐渐消除，斯普鲁恩斯终于准许米契尔第二天朝日本舰队前进。鉴于飞行员已在白天的空战中消耗不少体力，米契尔并未在夜间派出侦察机，20日上午一面西进一面派机侦察，仍一无所获。因为19日夜间小泽舰队转往西北，暂时避开跟第58特遣舰队的接触并进行加油，小泽意图第二日再度派出其剩余百余架的舰载机，同时计划联合已飞往马里亚那加油添弹的舰载机一同袭击美舰（但大部分飞往马里亚那的舰载机已被击落）。
20日上午，小泽再移乘其所在的甲队唯一剩余的航空母舰瑞鹤，此时由于通讯改善，下午1时小泽终于得知前一天空战的结果，由于大量舰载机损失，小泽仅剩百余架飞机可以出击，即使如此小泽仍打算协同陆基航空队对美军再进行一次打击，小泽正决断之时，前卫舰队司令栗田自旗舰爱宕重巡洋舰向小泽通报：美第58特遣舰队向己方逼近，距离已不到300海里。
20日15:40分面，企业号的一架侦察机发现小泽舰队，自海战展开30个小时以来，第五舰队终于首度发现一直躲藏在侦察距离外的敌舰队。可时机却极为尴尬，因为双方舰队距离275海里，第58特遣舰队若发动进攻则将使其舰载机面临危险的夜间降落。米契尔虽然左右为难，但为免坐失战机，依旧发下唯一有可能的指令：出击！16:21分第58特遣舰队第1、2、3支队（除掩护第7支队战斗舰的第4支队外）派出216架飞机进攻，启动这场海战中第五舰队唯一一次的攻势。16:15分日军方面也发现美舰队，17点25分甲队唯一的航空母舰瑞鹤出动7架鱼雷机去攻击，前卫部队的栗田中将也因为收到夜战命令而向东进。但美军飞机已先赶到日舰上空，开始攻击日舰。
被美机发现后，小泽下令舰队向西北各自高速逃脱，并抛弃补给舰队。18:40分，美机抵达补给舰队上空，重创两艘油轮，两舰后来都被迫自沉。随后一心想寻找日本航空母舰的美机群飞到日本舰队上空，日落前展开匆忙的攻击。中型航空母舰飞鹰号被一枚鱼雷击中，引发大火，2小时后沉没，而空母隼鹰、龙凤、千代田、瑞鹤、战舰伊势、重巡摩耶都被炸弹击伤，其中小泽的旗舰瑞鹤伤势较重。日本在这波攻击中又损失65架飞机，美国则损失20架。由于小泽下令各舰自行运动及美国舰载机攻击过于匆忙，因此这波攻击成果并不特别出色。
