为什么美军舰队会出现在塞班岛西南的关岛以西海域呢，那是因为斯普鲁恩斯中将迟迟没能发现日军舰队的具体位置，由于担心遭到日军舰队和陆基飞机的夹击，而在天气情况较好的时候命令米切尔中将带领主力舰队前出消灭在马里亚那已知的陆基敌机力量。关岛这个美军经营了几十年的岛屿当然是首当其冲。
关岛处于北马里亚纳群岛的南端，面积达到了549平方公里。1898年美西战争后为美军占领了关岛，其后在关岛之上修建了大量的基地，以至于日军在1941年12月占领关岛后，发现关岛的四分之一的面积都是军事建筑。不仅有完善的海军基地，还有几个空军基地。后来日军更加增强了关岛的军事力量，使得关岛成为日军在马里亚纳群岛最大的兵力所在。不但第五基地航空部队的角田觉治中将的司令部就在关岛之上，而且上面还拥有200架陆基飞机。除了日本海军外，关岛上还驻扎了7万日本陆军以及一支陆军航空兵的战队。
早上9点，美军航母上起飞了攻击机群，前往200海里之外的关岛进行轰炸。几乎与此同时，南云忠一向已经发现的美军舰队派出了第一波攻击群。南云忠一放出攻击机的地方非常之讲究，在这个距离上日军攻击群是不足以飞一个来回的。不过南云忠一下达给飞行员们的任务是前往关岛机场降落，这样一来就延长了舰载机的攻击距离。而美军舰载机要是从美军航母上起飞，并且飞到日军航母所在地进行攻击后，就没有足够的油料飞回美军航母上空了。这样的后果是，日军舰载机可以攻击到美军航母，而美军舰载机则无法攻击到日本航母，等于是日军舰队处于了一个非常安全的位置。
南云忠一跟山本五十六一样是一个赌徒，9点钟的时候，他命令栗田前卫舰队的飞机共69架发动第一波攻击。9:30最大的一波攻击群128架舰载机从主力舰队的甲板上起飞，前往进行第二波攻击。而10点，从他自己所在的乙对航母上起飞了47架攻击机作为第三波。最后在11点的时间，甲乙两队联合派出了82架飞机作为当天上午最后一波攻击机群。这样一来，一共派出了326架舰载机，除了必须留在航母上空的直掩机之外，航母的机库之中已经空空如野，南云忠一希望在这难得的“穿梭攻击”的时机中，用大量的战机一举击破米切尔中将的空防。
300海里之外的关岛以西海面，米切尔中将虽然一直在注意航空母舰所释放出的攻击机群对关岛的轰炸，但他仍然命令每艘航母的甲板上随时保持可以起飞战斗机的状态。在之前他已经为每艘航母预留了足够的可以掩护本舰队的战斗机。日军侦察机飞来侦查了一番很快飞走，美军战斗机没有及时将其击落，米切尔中将的心中就留下了不好的预感。果然，10点20分，第一波日本攻击群就被美军战列舰上的对空搜索雷达发现，已经做好起飞准备的美军航空母舰在10分钟内就出动240架飞机，这个快速动员舰载机的记录是世界第一的。
但是即使如此，大部分的起飞的美军战斗机还处于较低的空域，正在全力爬升，力图达到日本攻击机所在的高度。第一波日本攻击机在很少的几家f6f地域猫的拦截下很快掠过了美军战斗机机群的上空，美军飞行员只能眼睁睁看着日本攻击机向着后方的航母舰队飞去。
其实在这个时候，透过望远镜观察空中情景的米切尔中将并不是太惊慌。通过雷达侦察，他知道这一波日本飞机仅有不到100架，其中还有三分之一是用于护航的战斗机，他相信15艘航空母舰、7艘战列舰和大量的巡洋舰、驱逐舰上的火力足以掩护大部分的军舰。近炸引信投入使用后水面舰艇的高射炮拦截效率高了很多。不过这一次，情况有点不一样。
射向日军飞机的高射炮弹几乎在飞出保险高度后就立即发生了爆炸，甚至距离日本飞机还有一公里多的距离。虽然爆炸带来的扰流使得日本飞机不停的颠簸，但是却无法对其产生什么样的损失。反而后面跟上来的几架美军f6f地域猫战斗机被一串带着近炸引信的重型高射炮弹击中，这些高射炮弹在对付自己人的时候却没有失效。
所以这样一来航空母舰两侧那些127毫米的高射炮几乎没有发挥任何作用，虽然弹幕打得到处都是，但是却连日本飞机的毛都没有摸到一根。反而是那些勇敢的驾驶f6f的飞行员冲了进来，拼命地对日军攻击机进行干扰和射击，击落了十多架日军流星式攻击机和烈风式战斗机。
很快日军流星式攻击机就开始了俯冲投弹，带领他们进行投弹的则是烈风式战斗机。那些日本战斗机飞行员不怕死地直接对着美军航母俯冲下来，用机翼上的两挺20毫米航炮和机头下的12.7毫米重型航空机枪对着航母上的高射机关炮位进行火力压制。航母甲板两侧防空炮位中的小口径高射机关炮此时却是美军舰艇唯一能依靠的防空设备，它们的直射炮火和交叉火力打爆了数架扫射中的烈风式战斗机。这些小口径高射机关炮的炮弹并不受日军近炸引信干扰器的影响，因为它们根本没有安装近炸引信。
日军烈风式战斗机的献身为后面的流星式攻击机提供了机会。流星式攻击机机腹之中的两枚500公斤重炸弹纷纷离开机体，向美军航空母舰直线砸去。顷刻之间，投弹的十多架流星式攻击机就命中了三艘大型航空母舰的甲板，重磅炸弹使得甲板上开了一个大洞，钢板向外弯曲，洞中冒出了大量的浓烟和火光。躲在甲板之下的美军管损人员立即开始工作，他们将甲板上的可燃物推进了大海，并奋力扑灭大火。
不过日本人的幸运到次就结束了，第二波俯冲下来的十多架流星式攻击机还没有抵达投弹位置就被击落。在看到了日本人的疯狂之后，美国海军士兵也开始拼命了。
投完弹的数架流星式攻击机以及在跟f6f地域猫缠斗中幸存下来的日本烈风式战斗机开始向关岛的方向飞去。不过美军那200多架已经完成了加速，并占据了高度的战斗机岂会放过这给美军舰队添加了不少麻烦的“混球们”。最后只有不到5架日本飞机分散突围成功，不过这也使得美军战斗机在追赶他们的时候距离己方舰队太远，给第二波日本攻击机创造了一个绝好的机会。
在日军投弹结束后，一名美军参谋找到了近炸引信失效的原因。军舰上的无线电接收器的某一个频段被干扰了！而近炸引信正是工作在这个频段的。米切尔中将给所有舰艇直接发去了电报，要求高射炮炮弹一半的引信改为传统的定高引信。就在美军跟换引信的时候，军舰上的防空警报再次发出凄厉的叫声。128架日军舰载机就快飞临美军舰队上空了。
跟换了引信的127毫米高射炮果然产生了作用，炮弹开始在日军飞机飞行的高度爆炸，而那些仍没有更换引信的高射炮弹却还是在日军飞机下方爆炸，看来日军飞机之上拥有干扰器的问题可以被证明了。米切尔立即命令作战参谋向各舰发出命令，所有大口近高射炮都更换为传统引信。
由于美军战斗机中的大部分都去追赶第一波日军飞机了，第二波日军飞机几乎没有遇到任何远程的阻碍就进入了美军高射炮的攻击范围，南云忠一的计算非常的精确。
“伤其十指不如断其一指。”日军空中指挥官看来非常明白这个道理。当第二波日军攻击机发起进攻的时候，主要的精力被放在了前面那三艘已经受伤的航空母舰。这三艘航空母舰再次遭受了铁与火的考验。日军这一次没有携带鱼雷，而是全部使用对付航母脆弱的甲板的重型穿甲弹进行轰炸。很快这三艘航母就被连续击中，甚至有一些流星式攻击机被高射机关炮击中后一头撞在了航空母舰上。这三艘航母先后燃起了大火，其舰长随后不得不宣布了弃船。在耗光弹药之前，其余的日本攻击群还击伤了两艘护航航母。
日军第二波攻击机群有近50架舰载机逃过了美军护航战斗机的围捕飞往关岛。而那些美军战斗机却几乎耗光了燃油，不得不降落了。而这个时候美军航空母舰前去轰炸关岛机场的攻击机群则凯旋而归，结果却发现了正在燃烧着的三艘航母，归属这些航母的舰载机飞行员不得不到其他航母之上降落，由于那三艘都是大型航母，所以需要重新划分降落地点的飞机数量不少。这些需要降落的攻击机和那些需要降落的直掩机混杂在一起，很快就引起了混乱。