上午10时左右，当日机第一攻击波的246架飞机渐渐飞到距美航空母舰编队150海里位置时，“列克星顿”号航空母舰上不停转动的雷达荧光屏上便出现了一片密密麻麻的亮点。
“正西150海里处，发现敌攻击机群！”雷达操作员立即报告。
米切尔海军中将盼望已久的与日航空母舰决战的时刻终于如愿到来了。他立即下令出击，300多架美舰载战斗机紧急起飞，前往迎敌。不一会儿，在距美舰队70海里的西部海空，日美双方爆发了举世瞩目的大空战，马里亚纳海空战正式爆发了。
美军方面率首批战斗机前往迎击的是查尔斯·布鲁尔少校，只见他一马当先，11名部下紧紧跟上来，一架接一架朝敌机飞去。布鲁尔少校首开记录，他一开炮就使1架“零”式机凌空开花，当这架日机的碎片还没有坠落到大海时，布鲁尔又打断了另1架日机的机翼，尔后他又巧妙地甩掉1架“零”式机并把它打得起了火。
此时，天空中“恶妇”式战斗机与日改进型“零”式战斗机搅成一团。改进型“零”式机就像蚊子一样灵活地绕着圈，使身体粗壮的“恶妇”式战机难以接近开火。鉴于这种情况，美机马上兵分两路，一支与“零”式机继续纠缠，另一支集中力量专打轰炸机。在密集的弹雨中，10多架“1”式轰炸机先后坠入大海。片刻功夫，日轰炸机就全被打落。尔后，两支机群又一起夹击“零”式机，将日机打得只有招架之力。
美机射出的12．7或20毫米口径的燃烧弹、穿甲弹打中日机即起火，而日机的7．7毫米机枪子弹，除非击中要害部位，否则对美机根本不起作用。其中有1架“恶妇”式飞机的机翼被机枪子弹打得全是窟窿，仍然能威风凛凛地继续格斗。10分钟后，第一攻击波的日机几乎全部被击落。
此刻，为腾出飞行甲板使战斗机能够返航补充弹药、油料，米切尔将军又使出惊人的一着。他命令航空母舰上的所有攻击机全部升空，让这些既因机载火力弱无法参加空战，又因距离远无法攻击的鱼雷机、俯冲轰炸机在安全空域盘旋待命。这一出奇的招术，不仅大大地鼓舞了美军飞行员的斗志，而且为即将来到的空战创造了有利条件。
返回的美机刚刚加油挂弹后，日军的第2波攻击机群又来临了，美机立即投入第2次大空战。只见从“爱塞克斯”号航空母舰起飞的“恶妇”式战斗机冲上去，其他航空母舰上起飞的战斗机也迅速围上来，不到几分钟就打下近70架日机。
空战最激烈时，竟有近20架日机同时中弹起火，其残骸就如同燃烧着的火炬一样慢慢坠入大海。由于前一个时期的空战使许多经验丰富的日军飞行员大量减员，这次补充的多是刚刚从航校临时抓来的学员，不仅驾驶技术不过关，而且毫无实践经验。只见天空中一架架日机，就像被猎枪打伤的水鸭子，劈啪啪啦地直向海水里扎。
就在空战最激烈的时候，米切尔将军却在飞行指挥塔里饶有兴趣地听着无线电里传出来的乱哄哄的声音。这些由叫骂声、机枪机炮射击声、爆炸声组合成的大杂烩，对于米切尔来说，就像是一曲威武雄壮的战争交响曲，一首他终生难忘、永远也欣赏不够的美妙乐曲。突然，一个清晰的声音传入米切尔的耳中：“嘿！这真像古代的捕杀火鸡呀！”米切尔将军牢牢地记住了这句话。因此，这场空前规模的大海空战就以“马里亚纳火鸡大捕杀”而著称于世了。