20时45分，大批燃料即将耗尽的美机在夜色中回到舰队上空。虽然米契尔下令整个舰队不惜冒着被日军潜艇攻击的危险打开照明，航空母舰以探照灯直射天空，驱逐舰也发射照明弹。但由于各机油料殆尽，加上200架飞机同时联络舰队所造成的通讯混乱，许多飞行员无视于降落信号灯官的指令争先恐后地扑向甲板，导致许多混乱与意外。在此回夜间降落中，美机损失80架。讽刺的是，联合舰队的全力攻击只使敌手损失40架飞机，竟不及夜间降落对美军造成的损失。
由于驱逐舰彻夜搜索因为油料用尽而坠海的飞行员，因此仅49名飞行员在夜间降落中丧命（仍比日本舰队攻击与空战的损失的27人多）。搜救行动造成的混乱使第58特遣舰队几乎停止反潜作业，幸亏舰队未受日军潜艇攻击，却又再耽搁宝贵的2小时。19点40分左右，联合舰队长官丰田副武大将向小泽发布脱离与美军接触的命令，小泽便中止「阿」号作战撤退了。第58特遣舰队追击无法成功，海战因此结束了。
美国第五舰队第58特遣舰队在这场海战中重创日本海军主力第一机动舰队，一举夺得西太平洋的制海权同时巩固在塞班建立起的阵地，美军仅付出76人阵亡、损失123架飞机、四艘军舰轻伤的极小代价，给予敌人三艘航空母舰、两艘油轮及600架飞机的巨大伤害。虽然无法再给予敌人更大的伤害，仍是一场决定性的大海战，使日本航空母舰部队无力再与美军抗衡，只能在4个月后雷伊泰湾海战中成为诱饵，悲惨的被全数歼灭。以后马里亚那完全被美军控制，如同两周前盟军诺曼底登陆突破纳粹德国的 大西洋壁垒一般，日本「绝对国防圈」惨遭突破，美国陆军航空兵（1947年改为美国空军）的大型远程战略轰炸机b-29得以进驻，日本最大的梦魇—盟军轰炸机投下大量烧夷弹摧毁整座城市的可怕情景将深深烙印在他们心中。
