В отличие от боя у Мидуэя на этот раз японская разведка сработала надежно. Ночью 19 июня американские корабли были обнаружены самолетом с острова Гуам, и японцы знали о местонахождении противника, в то время как американцы оставались в неведении о местонахождении японцев. Между тремя и четырьмя часами ночи японские корабли развернулись в боевой порядок. Передовой отряд включал три небольших авианосца, которые прикрывались четырьмя линкорами, девятью тяжелыми крейсерами и восемью эсминцами. Этот отряд являлся своеобразным щитом для основных японских сил. Остальные корабли шли за ними на дистанции около 100 миль.
Первая дивизия авианосцев — «Тайхо» (флагман адмирала Озава), «Сёкаку» и «Дзуйкаку» — прикрывались двумя тяжелыми и одним легким крейсерами и семью эсминцами. Вторая дивизия — «Дзунё», «Хийо» и «Рюхо» — прикрывались линкором «Нагато», тяжелым крейсером «Могами» и восемью эсминцами. За полтора часа до рассвета Озава отправил свои самолеты на разведку. В 7 час 30 мин была обнаружена одна из групп американских авианосцев. Японские самолеты поднялись в воздух для атаки противника. Всего они сделали четыре налета на американские корабли.
В первом приняли участие 69 самолетов в составе восьми торпедоносцев, сорока пяти истребителей-бомбардировщиков и шестнадцати истребителей. В 10 час 30 мин американский командующий 58-м оперативным соединением адмирал Митшер оповестил свои корабли об ожидаемой атаке и приказал держать истребители в боевой готовности. Слабая подготовка японских пилотов сказалась на результатах атаки. Из 69 самолетов 42 не вернулись на свои авианосцы. Лишь немногие из них смогли прорваться и произвести атаку на корабли американцев. Удару подверглось соединение тяжелых кораблей из семи линкоров и четырех тяжелых крейсеров. Хорошо налаженная противовоздушная оборона не позволила японским самолетам провести прицельное бомбометание. Только одна бомба попала в линкор «Сауд Дакота». (Этот корабль был «излюбленной» целью японских летчиков в течение всей войны.) Это было первое и последнее попадание бомбы в американские корабли за весь последующий бой.
Около 9 час с японских авианосцев стартовала вторая группа из 129 самолетов. В 60 милях от авианосцев они были перехвачены американскими истребителями и потеряли 70 машин. Еще 16 самолетов сбили истребители во время отражения атаки японцев на корабли. 11 сбитых самолетов на счету средств ПВО кораблей. Атака успеха не принесла, и корабли американцев попаданий не имели. Единственной потерей от близкого разрыва бомбы стало трое убитых и семьдесят три раненых из команды авианосца «Банкер Хилл».
В третьем налете участвовало 47 японских самолетов. Часть из них не нашла американских кораблей и вернулась на свои авианосцы. Из этой группы японцы лишились семи самолетов, но ничего не добились.
Четвертый налет 82 самолетов начался в 11 час 30 мин. Японские самолеты были перехвачены в 45 милях от кораблей американцев. Часть из них сумела прорваться к авианосцам, но успеха также не имела. Только девять самолетов вернулись на авианосцы и остров Гуам неповрежденными. Остальные либо были сбиты, либо имели такие повреждения, что для боя уже не годились. В целом за четыре налета Озава потерял более половины своих самолетов.
Совершая свои атаки на корабли противника, японский флот оказался в районе патрулирования американских подводных лодок. В 8 час 16 мин подводная лодка «Эльбакор» обнаружила японское соединение. Сократив дистанцию, она выпустила шесть торпед по большому авианосцу. Это был новый и самый мощный «Тайхо». В этот момент он поднимал свои самолеты для удара по американским кораблям. Первый самолет, поднявшийся в воздух, обнаружил следы торпед, идущих на авианосец. Летчик спикировал на торпеду и, пожертвовав собой, отвел удар одной из них. Тем не менее одна торпеда все же достигла цели. Авианосец получил незначительные повреждения. Однако это попадание стало впоследствии смертельным для огромного корабля. Дело в том, что, испытывая затруднения с мазутом, японцы иногда заправляли корабли сырой нефтью. Торпеда повредила емкость с топливом. Пожара не произошло, но пары летучих ингредиентов нефти стали распространяться по кораблю. Было принято решение «продуть» корабль. Это привело к тому, что пары распространились по всему кораблю, и в 15 час 32 мин корабль взорвался. Адмирал Озава уцелел и перешел на крейсер «Хагуро».
Другая подводная лодка, «Кавэлла», в 11 час 50 мин обнаружила еще один авианосец. С дистанции в пять кабельтовых она выпустила шесть торпед. Авианосец «Сёкаку» получил три (по японским данным четыре) попадания и был тяжело поврежден. В 15 час он взорвался и затонул.
Наконец адмирал Митшер получил (от подводных лодок) сообщение о месте нахождения противника. Авиационная разведка американцев в дневное время была не эффективна, а к ночи вообще прекратилась.