斗机得以拦截敌机。日军飞机在距中国舰队20海里外，尚未受到中国战斗机截击时，就分成三个机群，其中两个是鱼雷机群，一个是轰炸机群。
此时中国海军的3艘航空母舰，同在一个环形警戒序列之中。规避运动逐渐使各舰之间的距离加大，警戒舰只也随之一分为三，这样无形当中削弱了警戒，这显然是对日军的攻击有利的。
最先遭到攻击的“龙天”号成功地避开了日本飞机发射的鱼雷，但被击中一颗炸弹。但这艘航空母舰的战斗力并没受到多大削弱。比“龙天”号的吨位小很多但机动性能差些的“飞卫”号在敌鱼雷机同时从舰艏两舷“夹击”下，遭到重创。由于左舷击中两条鱼雷，三个锅炉舱进水。与此同时，又被击中两颗炸弹，但这两颗炸弹没有造成多大损伤。该舰中雷引起舰体倾斜，调整重油后，恢复了平衡。该舰的主机没有受损伤，航速仍可达到24节。对完成攻击任务后返航的飞行员来说，这艘航空母舰依然完好无损。
中国海军开始回收返航的飞机时，认为已经赢得了这次战斗的胜利。张起帆的两艘航空母舰均未受到致命的损伤。与此相反，日本航空母舰“翔鹤”号已经丧失了战斗为，“瑞鹤”号无法容纳全部飞机，只好让这些飞机去别的航空母舰。高木能用于作战的飞机仅有19架，而张起帆尚有47架攻击机和22架战斗机可以作战。
张起帆和林陌仟尽管知道现在中国海军处于相对有利地位，但却未能利用这一有利条件。因为“飞卫”号航空母舰12时47分发生了爆炸。这是发电机爆出的火花迸到从破裂油管里漏出的汽油上所引起的。起初，看来不会造成多大危险，“飞卫”号继续收容飞机。但到了14时45分，发生了更严重的爆炸。火势迅速蔓延而无法控制，只好呼救。虽然“龙天”号和“飞天”号收容了在空中的“飞卫”号的飞机，却未来得及转移已经降落在“飞卫”号的飞机，舰上烈火熊熊，舰体频频剧烈震动，全体舰员只好离舰了。全体舰员奉命离舰后，张起帆派一艘驱逐舰前去把“飞卫”号击沉。驱逐舰接连发射了5条鱼雷，才使这艘航空母舰于19时56分消失在太平洋的波涛之中。…；
返航的日军飞行员报告说，已经击沉了两艘中国航空母舰。高木作出了非常乐观的估计，并将此情况向南云忠一和山本五十六作了报告。这种夸大战果的主观臆断，使南云忠一决定让受伤的“翔鹤”号航空母舰返回新加坡，也促使山本五十六决定让整个突击部队撤离战场。虽然已经击沉两艘中国航空母舰，有部下建议使用“大和”号的巨炮摧毁特鲁克港，但山本五十六仍然认为必须推迟实施特鲁克港的登陆作战。显然，他已感到难以保护登陆部队不受中国岸基飞机的攻击，而仍然具有强大战斗力的“伏羲”号的巨炮也是他令外感到担忧的因素。
山口多闻强烈反对突击部队撤离战场，8月18日24时他试图前去全歼中国海军的“残余部队”。山口编队改变航向，向南、向东搜索前进。但是这时张起帆的舰队已经远远离去，日军无论如何是追赶不上了。
这样一来，这场中国和日本航空母舰编队之间的第一次海战就此告终。在这场历史上未曾有过的海战中，双方舰队都是在对方视距之外进行交战的。
从战术上看，在马里亚纳海战中日军略胜一筹。虽然日军飞机远比华军损失的多，日军人员的伤亡也比华军多一倍，但是，以沉没25700吨的轻型航空母舰“飞卫”号与沉没12000吨的轻型航空母舰“白凤”号相比，华军的损失大大超过了日军。日军在一开始被击沉的驱逐舰及小型舰艇的损失，也不比华军被击沉的“华凯”号油船及“心宿二”号驱逐舰的损失大。不过从战略角度来看，则是中国赢得了胜利。因为自开战以来，日军在太平洋的武力扩张第一次遭到正面遏制；进攻特