19時，空戰結束。當時天空既沒有月亮，也沒有星星。
返航的漫長旅程對美飛行員來說猶如噩夢一般，飛行員一個接一個地報告燃料即將用完。
20時15分，美機在暗夜之中總算返回了自己的“家”。可為了防止日機和日潛艇的襲擊，美特混艦隊實行嚴格的燈火管製，“家”中一片漆黑。正如米切爾所預料的，當這些美機飛回的時候天已全黑，隻有少數技術嫻熟的飛行員在黑暗的甲板上順利降落。此時，在航空母艦上的人可以清楚地聽到飛機在頭頂上盤旋；可大多數飛行員隻能辨認出軍艦的航跡，根本認不出哪一艘是航空母艦。有的飛機打開了紅色和綠色識別燈，發動機喘著粗氣，發出燃油耗盡時的那種僻僻啪啪的響聲。
派這些飛行員出擊本來就是一個冒險的大膽決定，此時，米切爾又作出了另一個大膽的決定：他命令所有航空母艦全部開燈。
刹那間，所有的航空母艦都打開了紅色桅杆燈，飛行甲板上燈火輝煌，探照燈光柱刺破了夜空，將這片海區裝點得猶如美國的狂歡節，從空中觀看又像神話中的世界。一位飛行員說：這種場麵猶如“好萊塢的彩排、中國的春節和美國獨立紀念日趕到一起了”。
然而，更確切地說，這真是一場狂歡中的悲劇：這些天之驕子們在燈光的指引下，本可以在任何一艘它們發現的航空母艦上降落。但由於大多數飛機的燃油已經耗盡，飛行員急於降落，一發現他們盼望已久的美妙燈光，就蜂擁著朝甲板飛來。結果發生了一連串的衝撞爆炸事故，不少飛機一架接一架地掉到海裏。有一架飛機在降落時撞在前麵已降落的飛機上，還有一架飛機甚至把一艘驅逐艦的桅杆燈當成了引導信號，幹淨利落地降落在驅逐艦旁邊的海麵上……
至22時，全部美機完成降落，這一災難性的夜間返航，使美機損失了77架飛機，是剛結束的空戰中損失的4倍，但落水的飛行員大部被救。
就在美國人忙於搭救落水飛行員時，小澤艦隊也很快撤出了戰鬥。至此，馬裏亞納海空戰宣告結束。
在此次海戰中，美軍僅有2艘航母、2艘戰列艦和1艘巡洋艦受輕傷，無一艘軍艦沉沒，艦載機損失117架。日軍被擊沉航母3艘、油船2艘；被擊傷航母3艘；戰列艦、巡洋艦和油船各1艘，艦載機損失404架，占全部艦載機的92%；岸基飛機損失247架，幾乎全軍覆沒；此外，日軍出動的36艘潛艇也被擊沉20艘。
這場海戰，日軍投入了聯合艦隊的全部主力艦隻和大部分岸基航空兵，原想一舉扭轉戰局，不料又以慘敗而告終。特別是艦載航空兵損失高達92%，這對於日軍而言是致命的。沒有一年半載的時間，根本無法恢複成一支現代化的艦隊。尤其是飛行員的損失更是難以彌補。在短時期裏，日軍的航母部隊不能成為有戰鬥力的部隊，從而使中太平洋上的製空權、製海權徹底落入美軍之手，美軍繼而取得了戰略進攻更有利的條件。