等待海上决战的时间极其难熬。更让斯普鲁恩斯和米切尔焦急的是自6月17日潜艇部队捕捉到日军踪迹后，直到18日晚再也没有敌方的消息。航母上起飞的侦察机在18日一整天的搜索中也毫无结果。直到19日凌晨，日军打破无线电缄默，其发出的电讯信号被美军侦知。米切尔在斯普鲁恩斯的同意下，将舰队向西南方向移动，海上决战就此拉开帷幕。
6月19日晨，美军雷达发现日军机群从西面飞来，距离舰队150海里。这是日军派出的第一波次攻击机，共计69架飞机。米切尔下令舰队向西航行20分钟，然后改为迎风航行。舰载轰炸机和鱼雷机奉命起飞，轰炸关岛机场，使其不能收容日军舰载机。随后战斗机也奉命升空，迎战日军攻击机群。
双方在海上的空中格斗呈一边倒的态势，无论是飞机数量、性能还是飞行员的素质，美军都占据优势，于是他们为人类提供了一个新物种——“马里亚纳火鸡”。日军第一波次攻击很快就损失了25架飞机，剩余的飞机则摆脱空中纠缠，冲向美军航母。美军第二道防御火力由舰上高炮构成，密集的炮火又击落了20多架日军飞机，其间仅有一架日军飞机投下的炸弹击中“南达科他”号战列舰，导致27名舰员阵亡。
由128架攻击机组成的日军第二波次攻击机群于11时30分抵达第58特混舰队上空。在冲击美军战斗机群拦截时，已经损失一半。30多架飞机突防成功，在对舰攻击时2架俯冲轰炸机投下的炸弹击中“邦克山”号重型航母近旁，引发大火，造成2死73伤；“黄蜂”号被一枚炸弹击中，造成1死12伤；另一架飞机则直接撞向了“印第安纳”号战列舰的舰舷上。
日军47架攻击机组成的第三波次攻击集群在预定海域没能发现美舰，一部分飞机选择返航，另一部分20余架飞机在搜索时与美军遭遇，7架战机被击落，其余逃离战场。
队内编有15艘航母，搭载956架作战飞机；特纳的两栖作战舰队则拥有535艘舰船。考虑到日军在塞班岛、关岛和提尼安岛的防御兵力将近6万人，霍兰德·史密斯率领的登陆部队达到5个师，分别是海军陆战队第2、第3、第4师，以及陆军第27、第77步兵师，总兵力12.7万人。
6月11日，第58特混舰队出动舰载机开始对塞班岛、提尼安岛、关岛和罗塔岛日军基地实施轰炸，击毁日军陆基飞机300余架，使其基本丧失了空战能力。6月15日，海军陆战队第2和第4师开始在塞班岛实施登陆。
联合舰队新任司令丰田副武一直密切关注着美军的动向。起初日军判断美军进攻目标将是菲律宾群岛，但第58特混舰队在6月11日出动大批飞机空袭马里亚纳群岛各处机场，让丰田副武意识到判断有误，随后他立即启动“Z计划”的改版——“阿”号作战计划。
联合舰队自偷袭珍珠港后，大部分主力航母在中途岛海战中被击沉。日本没有美国那样强大的军工生产能力，自太平洋战争爆发以来，海军仅在1944年初新增了“大凤”号重型航母。为了弥补海上作战力量的不足，日本又不得不将水上航母和油轮改造成轻型航母，但这些航母航速偏慢，没有护甲，攻防能力均与重型航母无法相比。
为了实施“阿”号作战行动，联合舰队竭尽所能地集结了一支实力可观的机动舰队，下辖3艘重型航母和6艘轻型航母，可搭载作战飞机430架。丰田副武清楚己方实力处于劣势，他原本寄希望于马里亚纳群岛和特鲁克港部署的陆基飞机可以一同参战，但马里亚纳群岛的飞机已经损失殆尽，特鲁克机场的飞机数量又十分有限。
下午2
双方实力并不完全表现在航母和舰载机数量上。过去2年多的作战中，日军在战前精心培养的数千名优秀飞行员已经所剩无几，联合舰队中现有的飞行员普遍缺少飞行训练。日军唯一有优势的地方是己方飞机的作战半径为400海里，美军的只有280海里。不仅如此，日军飞机可以就近在关岛、罗塔岛加油补充弹药，从而提高作战效率。
6月13日，丰田副武下令舰队启航，驶往马里亚纳群岛与美军太平洋舰队决战。
日军舰队刚一离港，就被美军潜艇部队“红鳍鱼”号发现，并立即把情报发送回总部。斯普鲁恩斯不敢大意，立即调整部署，命令潜艇部队司令洛克伍德密切注视日军动向；陆战第3师暂缓登陆关岛；特纳手中的8艘巡洋舰和21艘驱逐舰调给米切尔，然后令第58特混舰队摆开阵势，迎战日本联合舰队。
洛克伍德率领潜艇部队在马里亚纳群岛西南拉开了一条警戒线，他给各潜艇下达的命令既大胆又谨慎：遇敌后先进攻后报告，但要注意海上有己方舰船，务必明确是敌方军舰才可以开火。
在之后的几天，根据潜艇部队的报告，第5舰队已经判明日军至少有两支编队。米切尔提出率舰队主动接近日舰，斯普鲁恩斯则非常犹豫。这不是一场单纯的海战，第5舰队的核心任务是夺取马里亚纳群岛，登陆部队正在塞班岛激战，舰队主力一旦离开马里亚纳群岛海域，日军借机偷袭登陆部队和两栖支援舰队必然会给美军造成严重损失。所以他拒绝了米切尔的请求，命令他未接到命令前，绝不可以离开马里亚纳群岛海域。