美國海軍太平洋艦隊司令尼米茲海軍上將決定第5艦隊向馬裏亞納群島進軍的出發日為1944年6月6日，同一天，盟軍橫渡英吉利海峽，在法國實施諾曼底登陸，突破了德軍的內防線。馬裏亞納群島也恰好是日軍內防線的關鍵性鏈環，是保護日本本土極為重要的南部屏障。盟軍攻占了馬裏亞納，就可以開辟其南部的關島、塞班島、提尼安島等幾個大島作為前進基地，並能從此反攻菲律賓，或經小笠原群島直接進擊日本本土。由於其重要的戰略位置，日本人視馬裏亞納群島為“太平洋防波堤”。
6月6日，第5艦隊司令斯普魯恩斯海軍上將以“印第安納波利斯”號重巡洋艦為旗艦，米徹爾海軍中將乘坐“列克星教”號航空母艦，率領第58特混艦隊從馬紹爾群島出發向西北航進。在特混艦隊之後，有一支兩棲作戰編隊跟進，它由535艘艦船組成，運送12.7萬餘名陸戰隊員和陸軍部隊，他們的主攻目標先是塞班島和提尼安島，後是關島。在第5艦隊航渡期間，馬紹爾群島和西南太平洋戰區的陸軍航空隊對加羅林群島的日軍基地反複實施轟炸，以便牽製和削弱日軍航空兵力。6月11日，第58特混艦隊剛一駛抵關島以東200海裏的海域，米徹爾海軍中將就令其戰鬥機和轟炸機起飛，空襲南馬裏亞納群島日軍事基地。突襲完全出乎日軍的意料，日軍大部分飛機已被調往增援新幾內亞作戰，駐島岸基航空兵沒能進行有力的抵抗，不僅損失了100架飛機，而且機場。防空設施和對岸防禦的發射陣地都遭到了嚴重破壞，美軍艦載機獲得了塞班島上的絕對製空權。連續幾天猛烈的航空火力和艦炮火力準備，為6月15日塞班島登陸鋪平了道路。
美軍的狂轟濫炸給了豐田司令長官當頭棒喝，使他從在西南太平洋海域進行大海戰的一廂情願中清醒過來。他立即下令中止支援新幾內亞作戰，命令第1機動部隊實施“阿號作戰”，向馬裏亞納群島出擊。6月13日，第1機動部隊司令長官小澤治三郎海軍中將親率大小航空母艦9艘從塔威塔威出發，6月16日在菲律賓東部海域，與增援新幾內亞方向急速趕回的戰列艦、巡洋艦部隊會合。
如果日軍事先查明美軍的作戰企圖，不是匆匆忙忙地趕往馬裏亞納決戰海域，而是在美艦隊到達之前，隱蔽地將其全部航空母艦集結到馬裏亞納群島海域，那麼中途島海戰的情況可能會再次出現，不過這次獲勝的將是小澤的第1機動部隊。然而，此時已是1944年6月，美軍的偵察能力與戰爭初期相比已不可同日而語，“小銀魚”、“飛魚”、“海馬”等幾艘潛艇不斷地向斯普魯恩斯報告小澤艦隊的出航情況、艦隊編成、航向及最新位置情報。根據這些情報，斯普魯恩斯判斷一場大海戰已經迫在眉睫。6月15日清晨塞班島登陸開始後，他下令推遲原定於18日實施的關島登陸作戰，從塞班島兩棲登陸部隊中抽出8艘巡洋艦和21艘驅逐艦調歸第58特混艦隊。在精確計算小澤艦隊的前進速度後，他命令克拉克海軍少將率領兩個航母特混大隊在三天內完成北上襲擊硫黃島和關島的任務。6月15日、16日，克拉克的二個特混大隊共擊毀日軍岸基飛機130多架，並破壞了機場，消除了小澤艦隊可能與疏黃島岸基航空兵協同夾擊第58特混艦隊的威脅。
6月18日中午，米徹爾海軍中將的第58特混艦隊向西駛入塞班島西南部海麵。新編成的水麵艦艇特混大隊由李海軍中將指揮，位於最西側，準備隨時投入可能發生的艦炮大戰，轄有新式快速戰列艦7艘、重巡洋艦4艘。驅逐艦14艘；在李海軍中將編隊的東北方向至東南方向，依次是第4航母特混大隊、第1航母特混大隊、第3艦母特混大隊和第二艦母特混大隊。第1航母特混大隊由克拉克海軍少將指揮，轄有“大黃蜂”號、“約克城”號兩艘大型航母。2艘輕型航母，重巡洋艦3艘、輕巡洋艦2艘，驅逐艦1艘。第2航母特混大隊由蒙哥馬利海軍少將指揮，轄有“邦克山”號、“黃蜂”號2艘大型航母、2艘輕型航母，3艘輕巡洋艦，12艘驅逐艦。第3艦母特混大隊由裏夫斯海軍少將指揮，編有“企業”號、“列克星敦”號兩艘大型航母、2艘輕型航母、1艘重巡洋艦。4艘輕巡洋艦，13艘驅逐艦。第4航母特混大隊由哈裏爾海軍少將指揮，編有“埃塞克斯”號大型航母1艘、2艘輕型航母、l艘重巡洋艦、2艘輕巡洋艦、14艘驅逐艦。第58特混艦隊5個特混大隊的艦隻均呈環形隊形，為便於機動，每個大隊相距12～15海裏，各航空母艦與風向成90度角擺開，以便隨時轉向西頂風讓飛機起飛，向東順風收回飛機。由大型航母7艘、輕型航母8艘、戰列艦7艘、重輕巡洋艦21艘、驅逐艦69艘。艦載機956架組成的美太平洋海軍第5艦隊第58特混艦隊已完成了臨戰準備。