當第58特混艦隊收回最後一架“獵取火雞”的艦載機時，天色已黑。斯普魯恩斯海軍上將如釋重負，確信日軍艦載機已被擊潰，遭敵側背攻擊的威脅也解除了。於是，他通知米徹爾作好追擊日機動部隊的準備。米徹爾留下哈裏爾的第4航母特混大隊繼續掩護塞班島和封鎖關島，自己則親率其他3個特混大隊徹夜向南偏西航進。由於對日艦隊位置判斷失誤，因此盡管美軍艦隊的航速比小澤艦隊快5節，但是雙方之間的距離並沒有縮短。20日上午派出去的偵察機還是沒有發現逃跑的小澤艦隊，為保障偵察機的起飛和降落，航母不得不數次轉向，迎著東風航進，這也耽誤了追擊日軍的速度。
20日下午4時許，第58特混艦隊終於等來了盼望已久的報告。一架巡邏機發現，日本機動部隊正在第58特混艦隊西北偏西220海裏以20節航速向西退卻。米徹爾陷入了進退兩難之中：若命令艦載機飛這樣遠的距離去實施攻擊，不能保證他們一定能完成任務，況且返航時已是黑夜，飛行員必須在夜暗中著艦，而絕大多數飛行員都沒有受過夜間降落的訓練；但是如果等到第二天天亮，必然要失掉摧毀敵艦隊的最後機會。“飛機起飛！”沉默寡言的米徹爾海軍中將別無選擇了，平素有著慈父般心腸、盡量避免派遣飛行員執行冒險任務的他，果斷地下達了命令。各航空母艦飛行員待機室內鴉雀無聲，飛行員屏住呼吸看著他們的指揮官用6英寸的大字把米徹爾的命令用粉筆寫在黑板上：“攻擊敵航空母艦！”不到10分鍾，三個特混大隊的11艘航空母艦上，84架“惡婦”式戰鬥機、54架“複仇者”式魚雷攻擊機。51架新式SB2C俯衝轟炸機、26架“無畏”式SBD俯衝轟炸機，共215架艦載機騰空而起，直追小澤艦隊而去。
“大和”號戰列艦的大型雷達迅速報告了美軍機群從東方襲來的可怕消息。小澤的主力艦隊加速到24節，不得不扔下了4艘泊船和為它們護航的3艘驅逐艦。日第1特混大隊、第2特混大隊和第3特混大隊最後34架“零”式戰鬥機臨危受命，去迎戰優勢之敵。轟炸機和魚雷機也起飛遠離了艦隊上空，以減少母艦挨炸時的損失。此時太陽已經西沉，正在慢慢接近水平線，再過20分鍾，日本艦隊就能躲藏在黑暗之中。
“首先攻擊日軍航空母艦！”美機群指揮官迫不及待地大聲命令道，迅速擺脫最後幾架“零”式戰鬥機糾纏的美機群在夕陽的餘光下發起了衝鋒。十幾架俯衝轟炸機從3000米高空輪番向“飛鷹”號中型航母俯衝投彈，一顆炸彈在艦橋上方爆炸，炸裂的彈片徹底摧毀了作戰指揮所和防空指揮所，隨後4架“複仇者”魚雷機結隊向其右前方旅回，“飛鷹”號急速躲避並展開猛烈反擊，喬治·布朗海軍中尉的機翼被打飛了，報務員和炮手不得不跳傘逃生，但身負重傷的布朗中尉仍頑強地駕駛著冒著火光的“複仇者”發射魚雷，一舉命中“飛鷹”號右舷機艙，波羅洲原油的揮發性油氣和爆炸性瓦斯立即燃起凶猛的大火，“飛鷹”號不久就艦首朝天，開始下沉，而布朗中尉和他的已經不堪駕駛的座機也沒有回到他的母艦。“瑞鶴”號大型航母、“隼鷹”號中型航母、“千代田”號輕型航母雖然加足馬力閃避逃跑，但仍被擊中數枚炸彈，受到重創。