日機第二攻擊波再度被美國戰機攔截，美國F6F戰機圍著技術欠佳、性能落伍的日機窮追猛打，上演了一場空中大屠殺，至少70架日機在這波攔截中被擊落，空戰最激烈時，竟有近20架日機同時中彈起火。參戰日軍飛機數量雖然與美軍不相上下，但因前一個時期的空戰使經驗豐富的飛行員大量減員，這次補充的多是剛剛從航校臨時抓來的學員，不僅駕駛技術不過關，而且毫無實踐經驗。一架架日機，就像被獵槍打傷的水鴨子，劈裏啪啦地直向海裏紮，僥幸逃生的日機則返回小澤艦隊，而美軍卻幾乎未受損失。
稍後，日軍第三攻擊波開始了對美軍艦艇的攻擊。起飛後，有16架戰鬥轟炸機和4架戰鬥機與大隊失散，便自成一隊向目標海域飛去，一直飛出350海裏也未找到美艦，於14時返回母艦。其餘飛機在途中接到母艦通報美軍艦隊新位置，但飛抵新位置後沒有發現，就再轉向舊目標位置，結果與美軍約40架戰鬥機遭遇，雙方隨即展開空戰，日軍有5架戰鬥轟炸機、1架魚雷機和1架戰鬥機被擊落，並失去了攻擊美軍艦隊的戰機，隻得返回母艦。
上述三個攻擊波返回母艦的飛行員，向小澤報告擊傷美軍5艘航母和1艘巡洋艦，比真實情況誇大了許多，這使小澤認為戰果輝煌，決定出動所有飛機乘勝追擊，給美軍更大的打擊。日軍乙隊出動了50架飛機，其中轟炸機27架、戰鬥機20架、魚雷機3架，在目標海域沒有發現美艦，便按計劃飛往關島降落，在關島將要著陸時遭到了美機的攻擊，日軍14架戰鬥機、9架轟炸機和3架魚雷機被擊落，降落在關島的日機，機場跑道因美軍轟炸而被嚴重破壞，所以在著陸時受到很大損失，幾乎沒有一架不受傷，因而無法再次起飛參戰。甲隊出動18架飛機，其中轟炸機10架，魚雷機和戰鬥機各4架，途中遭到美機有力攔截，被擊落轟炸機8架、魚雷機1架，另有1架魚雷機因傷勢過重於返航途中墜海。10點30分，乙隊再度派出9架轟炸機和6架戰鬥機，到達目標海域沒有發現美軍，便在附近進行搜索，結果終於找到了美軍的第二航母大隊，立即實施攻擊，美軍“邦克山”號航母被一枚炸彈擊中，所幸損傷輕微，日機則在美艦猛烈高炮火力下，損失了5架轟炸機和4架戰鬥機。日軍距離美軍最近的丙隊，忙於回收返航的飛機，沒有出動飛機。
日軍在這四次攻擊中，總共損失飛機192架，而在關島降落的飛機也大多被擊毀，航母上的艦載機隻剩102架，其中戰鬥機44架、戰鬥轟炸機17架、轟炸機11架和魚雷機30架。小澤原打算如果戰果較大，則於次日前進至馬裏亞納群島附近，繼續實施攻擊；如戰果較小，則暫時向西退避，調整兵力後再進行決戰，但直到傍晚，仍不清楚戰果究竟如何，又不清楚出擊的飛機中有多少在關島著陸，隻得率領艦隊向北航行，後又轉向西北航行，並進行海上加油，準備次日再戰。
由於在這次空戰中，日軍飛機被美軍很輕鬆地大批擊落，所以美軍根據當時一名飛行員的玩笑話“這多像古代獵殺火雞的戰場啊！”對這次空戰作了定名。從此，這場空前規模的海空大戰就以“馬裏亞納火雞大捕殺”而著稱於世了。
然而，盡管美軍第五十八特遣艦隊的艦載機取得對日本艦載機的壓倒性勝利，可始終未能發現小澤艦隊。此刻，美軍的潛艇部隊扮演了“獵人”的關鍵角色。19日上午8點10分，就在小澤的旗艦“大鳳”號送走攻擊隊最後一架飛機時，被正在尋找“獵物”的美軍“青花魚”號潛艇發現了，“青花魚”號立即突破了日艦的警戒圈，向“大鳳”號發射了6枚魚雷，其中1枚魚雷準確地擊中了“大鳳”號的燃料艙。
“大鳳”號是日軍吸取了中途島海戰經驗建造的新型航母，飛行甲板有100毫米裝甲防護，機庫采用封閉式，以加強生存能力，還有先進的區域火災控製和自動噴水滅火係統，完全可以承受500公斤炸彈轟擊，因此完工時被譽為“不沉的航母”。憑著厚實的裝甲防護，一枚魚雷造成的損失對航母並不會有致命的危險，很快經過有效的損管措施，“大鳳”號仍能保持戰鬥航行，似乎並不在意這枚魚雷。但航母所使用的婆羅洲原油揮發性很高，而魚雷爆炸撕裂了輸油管道，原油蒸汽慢慢從管道的裂口裏揮發出來，在通風性極差的封閉機庫裏逐漸積聚。在中雷的6小時後，機庫內積聚的原油蒸汽發生了大爆炸，火勢迅速蔓延，甚至將裝甲飛行甲板都燒得嚴重變形扭曲，繼而全艦停電，大火又引爆了彈藥艙，使得航母內部的大爆炸接二連三。小澤見情況不妙，先令“若月”號驅逐艦接下艦員，再改以“羽黑”號重巡洋艦為旗艦。“大鳳”號這艘1個月前才服役，被日本海軍稱為“不沉的航空母艦”的最新型大型裝甲航空母艦就這樣沉入了海底。在它沉沒之前，2150名艦員中隻逃出了不到500人。