這次的戰陣布局與兩年前的中途島海空戰非常相似，隻是在角色上打了個顛倒。中途島是日軍入侵，美國人嚴陣以待；而馬裏亞納則是美國人進攻，日本人防守。兩次唯一的相同之處則都是以日本人失敗告終。
當尼米茲將軍得知日軍航空母艦中有3年前偷襲珍珠港的“翔鶴”號和“瑞鶴”號時，眉開眼笑地對一位參謀說道：“你趕快把電報拍給斯普魯恩斯將軍和米切爾將軍，通知他們，這次海空戰隻要一打響，就不要放跑我們的死對頭。”
“死對頭？”參謀不解地問道。
“是的，日軍的航空母艦‘翔鶴’號和‘瑞鶴’號。”
“是，將軍，我立即發報。”
“告訴他們，我希望幾天後就能收到他們擊沉這兩艘航空母艦的告捷電報。歐洲的盟軍已經在法國諾曼底登陸了，這是曆史上偉大的軍事創舉。我們太平洋艦隊也不能比他們遜色。打好馬裏亞納群島這最後一次大海空戰，回頭我邀請在這次大海空戰中有功的官兵們，到東京去共進午餐。這些話請你都寫在電文裏。”
“是，將軍。”
1944年6月17日，收到尼米茲上將的電報後，美軍中太平洋艦隊司令斯普魯恩斯將軍立即向米切爾將軍下達了作戰命令：“我航空兵力首先應摧毀敵航空母艦，然後攻擊敵戰列艦和巡洋艦，使其減速或喪失戰鬥力。以後，如敵繼續求戰，戰列艦編隊應以艦隊行動殲滅敵艦隊；如敵人撤退，則擊沉其掉隊或受傷的軍艦。對敵作戰，必須全力發動猛烈攻擊，務求全殲。”
第58特混艦隊在奉命駛入塞班島西部海域時，為了便於作戰，米切爾將艦隊分為5個突擊大隊。具體是：
克拉克海軍少將指揮的第1特混大隊；蒙哥馬利海軍少將指揮的第2特混大隊；裏夫斯海軍少將指揮的第3特混大隊Z哈裏爾海軍少將指揮的第4特混大隊；李海軍少將指揮的第5特混大隊。
每個特混大隊之間相距約12海裏，全部與風向成90度角一線展開。這樣，每艘航空母艦就可以互不幹擾，隨時都能同時轉向頂風方向，讓飛機起飛，或者轉向順風方向，來收回自己的艦載機。就這樣，米切爾龐大的第58特混艦隊，在波濤洶湧的馬裏亞納西部海麵上已擺開陣勢，嚴陣以待。
6月19日淩晨，馬裏亞納西部海域烏雲低垂，狂風大作，惡浪滾滾。作為攻擊日，氣候極不理想。淩晨3時30分，小澤海軍中將派出了第一批16架偵察機；4點15分，又派出第2批13架偵察機；24點25分，第3批13架偵察機又騰空而起。戰幕尚未拉開，小澤的3批偵察機已先後振翅向東方380海裏遠的海空飛去。
6時34分，首批偵察機在塞班島以西160海裏處發現了由美5艘大型航空母艦組成的一支特混艦隊；第2批偵察機也發現了另一支美艦隊；第3批偵察機則在關島以西70海裏處發現了由3艘大型航空母艦組成的美特混艦隊。這樣，小澤基本摸清了美軍全部兵力的分布狀況。
得到這些情報後，小澤立即製定了出擊計劃。他自恃日本經過改進的轟炸機和魚雷機已成功地將作戰半徑延伸到400海裏，他還知道美國人的各種類型飛機由於“惡婦”式戰鬥機續航力的限製，僅能在220～280海裏的範圍內作戰。因此，小澤決定從380海裏的距離上實施第一次進攻，給美艦隊以先發製人的打擊。然後，乘美艦隊混亂之機，再發起200海裏乃至250海裏的攻擊。這就是小澤自己為之得意的新“外圍殲擊”戰術。另外，小澤還把取勝的希望寄托於關島等處的日本機場和岸基飛機上，其實這些飛機根本不可能幫上他的忙。
盡管小澤還不知道大部分岸基飛機已被美國人的戰機所摧毀，但當時整個形勢對日本人來說還是比較有利的。因為當時發現的美艦隊與小澤艦隊前衛相距約為300海裏，與小澤主力相距約為400海裏，這正是小澤中將夢寐以求的先發製人的理想打擊距離。更令小澤慶幸的是，由於美國人的偵察機巡邏半徑比較小，美方至今還沒有發現小澤艦隊！
在這千鈞一發的關鍵時刻，小澤海軍中將一聲令下，日航空母艦立即逆風向行駛，甲板上飛機的引擎瞬間即發出雷鳴般的轟鳴，決戰的時刻終於來到了！
戰鬥進程按照小澤中將的作戰計劃順利展開：清晨7時30分，經過充分準備的第一攻擊波龐大機群的引擎發出了震耳欲聾的巨響，129架飛機，其中包括戰鬥機48架、轟炸機54架、魚雷攻擊機27架，從航空母艦飛行甲板上騰空而起，向美艦撲去。緊接著，第2航空母艦戰隊和第3航空母艦戰隊的30架戰鬥機、15架轟炸機和72架俯衝轟炸機，共計117架飛機也不失時機地咆哮著升空。
就這樣，第一攻擊波由246架各型戰機組成的龐大機群，殺氣衝天地向美艦隊殺來。上午10點整，第2攻擊波的82架飛機（戰鬥機20架、轟炸機36架、俯衝轟炸機26架）又呼嘯著升空，再次向美艦隊衝去。11時10分，第3攻擊波的69架攻擊機又開始了向美艦隊的第3次衝擊。