根據日本海軍規定的諸部隊作戰戰術，豐田決定讓栗田率領一支包括3艘輕型航空母艦的先頭部隊去引誘美軍進攻，而同時小澤由6艘航空母艦和5艘戰列艦組成的主力艦隊則在相距85海裏的後麵擺開陣勢，準備實施主攻。
6月18日一整天，這兩支艦隊都在馬裏亞納群島以西的海麵上搜尋對方的蹤跡。
美軍小心翼翼地提防著日海軍航程較遠的飛機，而日本人則決意不讓美第五艦隊較強的艦炮火力發揮出來。
直至19日晨，當小澤打破無線電靜默，發信號出動一支正在關島加油的巡邏機隊時，斯普魯恩斯才察覺到對方的實際位置。這時美日艦隊之間相距約270海裏，在這一距離上美國海軍的艦載機無能為力。
為免遭日岸基飛機的攻擊，6月19日清晨，米切爾的第五十八航空母艦特混編隊出動33架艦載機對日軍停泊在關島的岸基飛機實施了攻擊，共擊毀日軍戰鬥機30架、轟炸機5架。這樣，美軍將日軍在馬裏亞納群島上僅剩的岸基飛機全部摧毀。
19日上午10時，美第五十八航空母艦特混編隊的雷達在約130海裏處發現有日軍的飛機來襲，這是日第一機動艦隊對美軍發動的4次攻勢中的第一次。
此次小澤共出動了69架飛機，美軍遂出動450架戰鬥機前去攔截。隨之雙方進行了激烈的空戰。
與此同時，米切爾出動了航空母艦上的轟炸機，對關島上的日軍機場進行了突襲，使日軍的艦載機無法利用這些機場降落。此次空戰，日機共被擊落42架，隻有27架飛機得以生還。
緊接著，日艦隊發起了第二次攻擊，共出動飛機128架，但同樣遭到了美軍戰鬥機的攔截，結果日機隻有31架返航。第三次，日軍又出動了約47架飛機，結果被擊落7架。
最後，小澤發動了第四次攻勢，出動了約82架飛機，結果大部分被擊落，隻有11架飛機返回航空母艦。
在6月19日前後持續8小時的激烈海空戰中，日本海軍的第一機動艦隊損失慘重，共損失艦載機約220架。加上美軍對日軍岸基飛機的轟炸，19日當天日軍共損失各種飛機約300架。
除此之外，日本海軍第一機動艦隊的艦隻也受到重創。當海空作戰進行正酣之時，美軍的兩艘潛艇突破日軍艦隊的反潛警戒幕，對日軍小澤的旗艦航空母艦“大風”號和“翔鶴”號發射了魚雷並將它們擊沉。在遭受如此重大的損失後，小澤不得不命令艦隊向西北方向撤退。
美軍決定乘勝追擊。斯普魯恩斯命令米切爾留下一個航空母艦群用於保護塞班島，其餘作戰艦艇皆向西南方向追殲。
6月20日中午，由於在西南方向未發現日軍艦隊，米切爾決定改變航向向西北追擊。16時，米切爾接到美軍偵察機報告，在距其艦隊約238海裏處發現小澤的第一機動艦隊。米切爾決定對日軍艦隊發起夜間攻擊。16時30分，他命令216架美機起飛。在日落之前，美機追上了日軍艦隊並對其發動了猛烈突擊，結果日軍“飛鷹”號航空母艦被擊沉，同時被擊沉的還有兩艘日軍油船。
此外，還擊傷日軍航空母艦兩艘、戰列艦和巡洋艦各一艘，擊落日機約40架。在這次海空交戰中，小澤匆忙中派出75架飛機攔截，美軍艦載機被擊落20架。
在戰鬥中一帆風順的美軍飛行員，在返航時卻遭受慘重損失。
由於海麵一片漆黑，美軍飛行員又大部分未受過在夜間條件下著艦的訓練，所以那些受傷的和油料已盡的飛機隻能在海上迫降。為了最大限度地保全飛機，米切爾冒著可能受到日軍潛艇攻擊的危險，命令打開艦船上的燈光。
在燈光照耀下，美軍飛機爭先恐後地著艦，從而造成了很大的混亂，一些來不及著艦的飛機，隻能落入水中。20日晚上，在著艦時墜入海中或撞壞的美軍飛機約有40架。在兩天的作戰中，美軍共損失約130架飛機、飛行員76名。
兩周後，美軍逼近關島。至美軍登陸前，守島日軍有陸軍一個師、一個獨立混成旅和一個獨立混成團，共18000餘人。
登陸前，美軍對關島進行了為期兩周的航空火力轟炸和炮擊，摧毀了日軍大部分的火炮陣地和重要的防禦設施。
7月21日晨，美軍第七十七步兵師和海軍第三陸戰師在相距6.5千米的兩
處灘頭登陸。經過5天激戰，兩路會合，並將島上大部日軍壓縮在狹窄的歐羅半島上。為求突圍，日軍向當麵美軍發動了一次次自殺性反撲，但均被擊退。
7月29日，美軍集中了兩個師的兵力向關島的北部發起總攻。
8月10日，美軍攻占了守島日軍的司令部，守島部隊司令長官小田中將自殺身亡。其餘日軍一部分被殲，一部分潛入岩洞、叢林。
美軍占領全島後，對島上的零散日軍進行了清剿，殘餘日軍直至大戰結束後才出來投降。此役，日軍戰死約17000人，被俘1250人；美軍陣亡1400人，傷5600人。
還在塞班島戰役進行之時，美軍就以海空軍及艦炮火力，對在塞班島以南的提尼安島進行了猛烈的轟炸。
7月24日，美第二和第四海軍陸戰師約35000人在該島登陸。島上日軍僅9000人。因此，當美軍在北部海灘登陸時，隻遇到微弱的抵抗，登陸當天就占領了灘頭陣地。
美軍在向島的縱深推進時，遇到了守島日軍的抵抗。經過幾次爭奪，美軍於第三天鞏固了登陸場，並將日軍逼退到南部高地和懸崖。
8月1日，美軍占領了全島，日軍大部被殲，小部分日軍竄入叢林繼續頑抗。在攻占提尼安島的過程中，為了摧毀日軍的半地下堅固工事，美空軍第一次使用了凝固汽油彈。此戰，美軍傷亡1700餘人；日軍亡6050人，被俘200餘人。