上午10時左右，當日機第一攻擊波的246架飛機漸漸飛到距美航空母艦編隊150海裏位置時，“萊克星頓號”航空母艦上不停轉動的雷達熒光屏上便出現了一片密密麻麻的亮點。
“正西150海裏處，發現敵攻擊機群！”雷達操作員立即報告。
米切爾海軍中將盼望已久的與日航空母艦決戰的時刻終於如願到來了。他立即下令出擊，300多架美艦載戰鬥機緊急起飛，前往迎敵。不一會兒，在距美艦隊70海裏的西部海空，日美雙方爆發了舉世矚目的大空戰，馬裏亞納海空戰正式爆發了。
美軍方麵率首批戰鬥機前往迎擊的是查爾斯·布魯爾少校，隻見他一馬當先，11名部下緊緊跟上來，一架接一架朝日機飛去。
布魯爾少校首開紀錄，他一開炮就使一架“零”式機淩空開花。這架日機的碎片還沒有墜落到大海，布魯爾又打斷了另一架日機的機翼，爾後他又巧妙地甩掉一架“零”式機並把它打得起了火。
此時，天空中美軍戰鬥機與日改進型“零”式戰鬥機攪成一團。改進型“零”式機就像蚊子一樣靈活地繞著圈，使身體粗壯的美軍戰機難以接近開火。
鑒於這種情況，美機馬上兵分兩路，一路與“零”式機繼續糾纏，另一路集中力量專打轟炸機。在密集的彈雨中，10多架日式轟炸機先後墜入大海。片刻功夫，日轟炸機就全被打落。爾後，美兩路機群又一起夾擊“零”式機，將日機打得隻有招架之力。
美機射出的12.7或20毫米口徑的燃燒彈、穿甲彈打中日機即起火，而日機的7.7毫米機槍子彈，除非擊中要害部位，否則對美機根本不起作用。其中有一架美軍飛機的機翼被日機槍子彈打得全是窟窿，仍然能威風凜凜地繼續格鬥。
10分鍾後，第一攻擊波的日機幾乎全部被擊落。
此刻，為騰出飛行甲板使戰鬥機能夠返航補充彈藥、油料，米切爾將軍又使出驚人的一著。
他命令航空母艦上的所有攻擊機全部升空，讓這些既因機載火力弱無法參加空戰，又因距離遠無法攻擊的魚雷機、俯衝轟炸機在安全空域盤旋待命。這一出奇的招數，不僅大大地鼓舞了美軍飛行員的鬥誌，而且為即將來到的空戰創造了有利條件。
返回的美機剛剛加油掛彈，日軍的第二波攻擊機群又來臨了，美機立即投入第二次大空戰。隻見從“愛塞克斯號”航空母艦起飛的戰鬥機衝上去，其他航空母艦上起飛的戰鬥機也迅速圍上來，不到幾分鍾就打下近70架日機。
空戰最激烈時，竟有近20架日機同時中彈起火，其殘骸就如同燃燒著的火炬一樣慢慢墜入大海。
由於前一個時期的空戰使許多經驗豐富的日軍飛行員大量減員，這次補充的多是剛剛從航校臨時抓來的學員，不僅駕駛技術不過關，而且毫無實戰經驗。隻見天空中一架架日機，就像被獵槍打傷的水鴨子，劈裏叭啦地直向海水裏紮。
就在空戰最激烈的時候，米切爾將軍在飛行指揮塔裏饒有興趣地聽著無線電裏傳出來的亂哄哄的聲音。
這些由叫罵聲、機槍機炮射擊聲、爆炸聲組合成的大雜燴，對於米切爾來說，就像是一曲威武雄壯的戰爭交響曲，一首他終生難忘、永遠也欣賞不夠的美妙樂曲。
突然，一個清晰的聲音傳入米切爾的耳中：“嘿！這真像古代的捕殺火雞呀！”
米切爾將軍牢牢地記住了這句話。因此，這場空前規模的大海空戰就以“馬裏亞納火雞大捕殺”而著稱於世了。
日軍第三攻擊波的69架飛機，在預定的攻擊區域內沒有發現美艦隊，大部分飛機不戰而歸。
其餘約有24架飛機在尋找目標的途中被美雷達發現，隨即從航空母艦“大黃蜂號”和“愛塞克斯號”上緊急起飛了50多架戰鬥機前往截擊。不一會兒，天空中的日機便紛紛爆炸，碎片滿天飛舞，20多架日機轉眼之間便無影無蹤了。隻見空中有紅色的近爆閃光、有黑色的硝煙彌漫、有潔白的降落傘穿插其間，把中太平洋那碧海藍天攪得昏天黑地。
就這樣，馬裏亞納海空戰以日本人的徹底失敗、美國人的完全勝利而告結束。
此次航空母艦艦載機的空中搏殺，美軍共出動戰鬥機350多架，隻損失了23架飛機。
而日本小澤艦隊先後共出動各型飛機397架，僅有100架左右的飛機幸免於難。另外，加上隨日本航空母艦一起沉沒的飛機，僅在6月19日這一天，日方就損失各類飛機373架。