美軍攻佔吉爾伯特群島之後，在太平洋戰場的主動權進一步鞏固。尼米茲在中太平洋繼續展開攻勢，麥克阿瑟則從澳大利亞向印度尼西亞、菲律賓發動跳島作戰，兩條戰線都在迅速推進，勢不可擋。
1944年上半年，尼米茲的太平洋艦隊跳越日軍在中太平洋最大的基地特魯克環礁後，佔領了帛琉群島，被夾擊的日軍加強在馬里亞納群島的防務，以遏止盟軍攻勢。
馬里亞納群島是個南北綿延長達425海里的火山群島，由大小近百個島嶼組成，較大的火山島有16個，主要包括關島、塞班島、提尼安島和羅塔島。
馬里亞納群島的戰略位置非常重要，它位於琉球群島、台灣島和菲律賓群島以東，硫黃列島以南，加羅林群島以北，正扼住了中太平洋航道的咽喉，是亞洲與美洲的海上交通要衝，也是美軍進攻日本本土和遠東的必經之路。
當時，盟軍的B-29遠程轟炸機只能藉助中國大陸的機場空襲日本九州島。如果馬里亞納群島被美軍佔領，日本本土與東南亞的海上生命線就將被切斷，更嚴重的是，從馬里亞納起飛的美軍B-29轟炸機就可將日本本土納入作戰半徑，尤其是東京所在的關東地區，這勢必沉重打擊日本工業及軍民士氣。
正因為馬里亞納群島如此重要，所以被日軍稱為「太平洋的防波堤」，而美軍所實施的馬里亞納登陸戰役也被稱作「破堤之戰」！美軍決定繞過加羅林群島直取馬里亞納群島，攻克塞班島，奪回關島。
日軍察覺美軍奪佔馬里亞納群島的企圖後，原本為抵擋麥克阿瑟進攻而發動的「渾」作戰被迫中止，轉而發動日本大本營苦心策劃的「阿」號作戰——以岸基飛機與航空母艦機動艦隊挑起海上大決戰，一口氣打敗盟軍主力艦隊，以此扭轉劣勢。
美軍斯普魯恩斯的第五艦隊與特納的聯合遠征軍部隊在進入馬里亞納海域時，即有效壓制了日軍的航空兵力。6月15日，美軍順利登陸塞班島。不料18時35分，美國潛艇「飛魚」號在聖貝納迪諾海峽發現了一支日本艦隊；19時45分，另一艘美國潛艇「海馬」號在菲律賓蘇里高海峽北部岷答那娥附近發現了另一支日本艦隊；17日夜，又一艘美國潛艇傳來敵情報告。
根據這些情報，美軍看出了日軍支援馬里亞納群島的企圖。由於雙方艦隊在18日有可能接觸，斯普魯恩斯召回了第一與第四支隊，並從特納的聯合遠征軍艦隊抽出8艘巡洋艦、21艘驅逐艦來強化軍力。
18日中午，斯普魯恩斯將15艘航空母艦擺開陣勢，其中將以7艘戰列艦為主的第七支隊擺在日本艦隊與4個航母特遣群之間，以防日本水面艦隊接近美國航空母艦。
15日晚上6時，被美國潛艦「飛魚」號發現的就是日本艦隊主力——小澤治三郎中將指揮的第一機動艦隊，有9艘航空母艦。小澤打算利用日本在關島、羅塔島等地設有航空基地之便，將艦隊部署在美國艦載機打擊半徑以外，使用日本艦載機起飛攻擊美國艦隊，在穿越美軍艦隊後，飛行至羅塔島與關島等地降落，加油、掛彈後進行下一撥攻擊。這樣一來，就能大大擴大日本艦載機的打擊範圍，而美國艦隊則無法攻擊日本艦隊。
雙方艦隊彼此發覺後，這場史上最大的航空母艦對決與艦載機空戰，即將拉開序幕。
19日凌晨4時20分，小澤再度派出偵察機，清楚掌握了美國艦隊動向。此時斯普魯恩斯卻不清楚小澤艦隊的位置，就先出擊在馬里亞納已知的日軍航空兵力，打算與小澤決戰之前先解決這方面的敵人。早晨，第五艦隊已擊垮了馬里亞納的日軍航空兵力。
19日上午，正當第五艦隊不斷搜尋小澤艦隊之際，小澤已於8時30分派出栗田健男中將率領的前衛艦隊共69架飛機，發動第一撥攻擊；接著，派出最大的一撥共128架飛機作為第二撥攻擊；10時，又派出47架飛機作為第三撥攻擊；11時，又派出82架飛機作為第四撥攻擊。四撥戰機共326架，企圖以大量戰機一舉擊敗美軍艦隊的艦載機。
19日9時50分，第一撥日機被美軍戰艦的雷達發現，美軍於10分鐘內緊急出動了240架飛機升空攔截。雙方戰機遭遇時，美軍飛機原本無法爬升至日機高度，但日機卻浪費了寶貴的10分鐘，對機群做了重新調整，這就給了美軍飛機爬升的時間。接著，以「地獄貓」式戰鬥機為主的美軍戰機，對日本零式戰機進行攔截。在太平洋戰爭初期，零式戰鬥機曾所向披靡，但現在零式戰鬥機已不是美國「地獄貓」式戰鬥機的對手。日軍飛機的數量、質量及飛行員素質都處在劣勢，因而日機完全無法應付美軍飛機的攻擊，只能進攻前方的美軍戰艦群。
但美軍戰艦的新型防空炮彈裝有近炸引信，這種炮彈可以在飛機進入其爆炸殺傷範圍時引爆，效率為傳統防空炮彈的數倍，太平洋戰爭後期，美軍用高射炮擊落的飛機有一半是因為使用這種炮彈的緣故。這使得日機攻擊美艦的難度加大，在美國戰機與美艦強大的防空火炮攔截下，日本第一撥攻擊機群損失42架。
11時39分，規模最大的日機第二攻擊波到來。美軍「地獄貓」式戰鬥機對著技術欠佳、性能落伍的日機窮追猛打，儼然變成了一場空中大屠殺，又有至少70架日機被擊落，20架突破攔截的日機，也有14架被美軍軍艦的防空炮火擊落。第二撥日機總計128架，折損97架，美軍卻幾乎未受損失。
空戰打得如此順手，一名美軍飛行員興奮地喊：「這多像古代獵殺火雞的戰場啊！」於是，這次空中大屠殺式的空戰就被美軍戲稱為「馬里亞納打火雞比賽」。
雖然美軍艦載機打得非常漂亮，但始終未能發現小澤艦隊。反而是美軍的潛艇部隊，扮演了水下殺手的角色。
19日上午8時，美日艦載機還未遭遇前，「大青花魚」號潛艇發現了小澤艦隊，盯上了日軍陣中最大的「大鳳」號航空母艦。上午9時，「大青花魚」號正在對「大鳳」號發射魚雷時，被日軍水面艦艇發現並被攻擊，又加上潛艇瞄準鏡故障，只能盲目射出6枚魚雷後下潛逃離。雖然一名日軍飛行員不顧性命用自己的飛機擋下一枚魚雷，但仍有一枚魚雷擊中了「大鳳」號。幸好「大鳳」號裝甲厚實，沒有造成很大影響。但日軍這次真是點兒背到家了，受傷的「大鳳」號的油氣自管道外泄，瀰漫了整個艦體，下午3時，因為油氣濃度過高，艦內人員不慎引起火花，艦內一下子燃起大火，引爆了彈藥庫，「大鳳」號接二連三發生大爆炸，小澤不得不放棄自己的旗艦，黯然離開。當日18時28分，「大鳳」號沉沒在了菲律賓海。
中午時分，美軍著名的「棘鰭」號潛艇，潛入了小澤的艦群中。美軍發現日軍「翔鶴」號航空母艦正在回收艦載機，無法機動規避魚雷攻擊，美軍當下決定就照著這個大傢伙開火！「棘鰭」號發射的6枚魚雷，至少有3枚命中，「翔鶴」號當即失去了戰鬥力，並在幾個小時後沉沒。
日軍「翔鶴」號航空母艦被襲擊的時候，日方第三撥機群47架飛機沒能找到目標，無功而返，並在返航途中被擊落7架。沒找到攻擊目標，其實是日軍第三撥飛行員的幸運，他們成了日軍當天四撥攻勢中損失最少的一撥。
第四撥攻擊機群於下午2時飛抵預定海面，也沒發現美艦，便分成三路繼續搜尋，結果全都遭遇美軍戰機截殺。第四撥總計82架戰機，大部分非死即殘，最後只有9架還能升空再戰。
19日當天，戰鬥結束時，勝負已見分曉。
小澤艦隊被美國潛艇擊沉兩艘大型航母，派出的326架艦載機中僅有130架返回日軍航母，加上在關島折損的50架飛機以及隨「大鳳」號、「翔鶴」號一起沉沒的飛機，日本一共損失飛機315架。美軍取得戰爭史上最大艦載機空戰的壓倒性勝利，空戰中僅僅損失23架飛機，6架飛機在操作意外中損毀，僅有2艘航母、2艘軍艦受輕傷。
20日上午，小澤改乘「瑞鶴」號航空母艦。下午1時，小澤終於得知前一天空戰的結果，僅剩百餘架飛機可以出擊。但日本人一向是不見棺材不落淚，小澤仍打算對美軍再發動一次攻擊。就在此時，小澤得到消息：美軍艦隊向己方逼近，距離已不到300海里。
20日下午3時40分，美軍「企業」號航空母艦的一架偵察機發現了小澤艦隊，美軍苦苦找尋，終於找到了日本艦隊。經過一番思考後，美軍派出216架飛機進攻小澤艦隊。
小澤下令艦隊向西北方向高速逃脫，並拋棄補給艦隊。晚6時40分，美機飛抵日軍補給艦隊上空，重創兩艘油輪，這兩艘油輪後來都被迫自沉。隨後，美軍機群飛到日本艦隊上空，日落前匆忙展開攻擊。日軍中型航空母艦「飛鷹」號被一枚魚雷擊中，引發大火，兩個小時後沉沒；另外，日軍航母「隼鷹」「龍鳳」「千代田」「瑞鶴」，戰列艦「伊勢」、重巡洋艦「摩耶」都被擊傷，小澤的旗艦「瑞鶴」傷勢較重。
晚8時45分