鬥機得以攔截敵機。日軍飛機在距中國艦隊20海里外,尚未受到中國戰鬥機截擊時,就分成三個機群,其中兩個是魚雷機群,一個是轟炸機群。

此時中國海軍的3艘航空母艦,同在一個環形警戒序列之中。規避運動逐漸使各艦之間的距離加大,警戒艦隻也隨之一分為三,這樣無形當中削弱了警戒,這顯然是對日軍的攻擊有利的。

最先遭到攻擊的“龍天”號成功地避開了日本飛機發射的魚雷,但被擊中一顆炸彈。但這艘航空母艦的戰鬥力並沒受到多大削弱。比“龍天”號的噸位小很多但機動效能差些的“飛衛”號在敵魚雷機同時從艦艏兩舷“夾擊”下,遭到重創。由於左舷擊中兩條魚雷,三個鍋爐艙進水。與此同時,又被擊中兩顆炸彈,但這兩顆炸彈沒有造成多大損傷。該艦中雷引起艦體傾斜,調整重油後,恢復了平衡。該艦的主機沒有受損傷,航速仍可達到24節。對完成攻擊任務後返航的飛行員來說,這艘航空母艦依然完好無損。

中國海軍開始回收返航的飛機時,認為已經贏得了這次戰鬥的勝利。張起帆的兩艘航空母艦均未受到致命的損傷。與此相反,日本航空母艦“翔鶴”號已經喪失了戰鬥為,“瑞鶴”號無法容納全部飛機,只好讓這些飛機去別的航空母艦。高木能用於作戰的飛機僅有19架,而張起帆尚有47架攻擊機和22架戰鬥機可以作戰。

張起帆和林陌仟儘管知道現在中國海軍處於相對有利地位,但卻未能利用這一有利條件。因為“飛衛”號航空母艦12時47分發生了爆炸。這是發電機爆出的火花迸到從破裂油管裡漏出的汽油上所引起的。起初,看來不會造成多大危險,“飛衛”號繼續收容飛機。但到了14時45分,發生了更嚴重的爆炸。火勢迅速蔓延而無法控制,只好呼救。雖然“龍天”號和“飛天”號收容了在空中的“飛衛”號的飛機,卻未來得及轉移已經降落在“飛衛”號的飛機,艦上烈火熊熊,艦體頻頻劇烈震動,全體艦員只好離艦了。全體艦員奉命離艦後,張起帆派一艘驅逐艦前去把“飛衛”號擊沉。驅逐艦接連發射了5條魚雷,才使這艘航空母艦於19時56分消失在太平洋的波濤之中。…;

返航的日軍飛行員報告說,已經擊沉了兩艘中國航空母艦。高木作出了非常樂觀的估計,並將此情況向南雲忠一和山本五十六作了報告。這種誇大戰果的主觀臆斷,使南雲忠一決定讓受傷的“翔鶴”號航空母艦返回新加坡,也促使山本五十六決定讓整個突擊部隊撤離戰場。雖然已經擊沉兩艘中國航空母艦,有部下建議使用“大和”號的巨炮摧毀特魯克港,但山本五十六仍然認為必須推遲實施特魯克港的登陸作戰。顯然,他已感到難以保護登陸部隊不受中國岸基飛機的攻擊,而仍然具有強大戰鬥力的“伏羲”號的巨炮也是他令外感到擔憂的因素。

山口多聞強烈反對突擊部隊撤離戰場,8月18日24時他試圖前去全殲中國海軍的“殘餘部隊”。山口編隊改變航向,向南、向東搜尋前進。但是這時張起帆的艦隊已經遠遠離去,日軍無論如何是追趕不上了。

這樣一來,這場中國和日本航空母艦編隊之間的第一次海戰就此告終。在這場歷史上未曾有過的海戰中,雙方艦隊都是在對方視距之外進行交戰的。

從戰術上看,在馬里亞納海戰中日軍略勝一籌。雖然日軍飛機遠比華軍損失的多,日軍人員的傷亡也比華軍多一倍,但是,以沉沒25700噸的輕型航空母艦“飛衛”號與沉沒12000噸的輕型航空母艦“白鳳”號相比,華軍的損失大大超過了日軍。日軍在一開始被擊沉的驅逐艦及小型艦艇的損失,也不比華軍被擊沉的“華凱”號油船及“心宿二”號驅逐艦的損失大。不過從戰略角度來看,則是中國贏得了勝利。因為自開戰以來,日軍在太平洋的武力擴張第一次遭到正面遏制;進攻特