他猜得沒錯，幾乎是一見到海平面上的濃濃黑煙，日軍飛行員就像聞到血腥的鯊魚般，開足馬力向艦隊衝去。當見到一直在戰列艦上空保護的8架「閃電」，26架零戰立即分出大半圍追堵截，想利用數量優勢取得制空權。淵津美志雄也以為航母的飛機都被派走了，所以立即下令進攻。但無論是九九艦爆還是九七艦攻，掛彈時最大速度都無法超過300公里。相反「閃電」就算不使用甲烷加力，也能輕鬆超過630公里。所以等得知前面交戰後，柳哲生才下令加速，同時讓8架「閃電」假裝不敵將零戰引到東面去。
「八嘎！那個是我的！」淵津美志雄駕駛著九九艦爆，見到倒影巨大的南京號戰列艦，雙目充血激動得渾身發燙。但還沒等靠近艦隊防空圈，身邊的九九艦爆就突然化為一團團火球。「支那閃電，在後面，他們在我們後面！」耳機裡傳來驚恐地叫喊。淵津美志雄扭頭看去，才發現二十幾架「閃電」如脫韁的野馬，高速衝入自己的攻擊機群。由於大部分零戰都被護航的8架「閃電」帶到東面，所以很快就被擊落二十多架。
淵津美志雄的攻擊機群總計才26架零戰和50架攻擊機，幾分鐘內就少了一半，急得他連忙大喊：「互相掩護，不要亂，搶佔攻擊通道！」不愧是日軍少有的天才飛行員，淵津美志雄一邊指揮，還連續避開「閃電」的兩次攻擊。不過他的戰友就沒他那麼幸運了，不斷被「閃電」擊中墜入大海。
「零戰！小心。」柳哲生擊落第三架攻擊機後，正要去追淵津美志雄，一架零戰就從旁邊衝過來纏住了他，讓他不得不先全力對付面前的戰鬥機。隨著零戰紛紛回來，剩餘十幾架日軍攻擊機終於得到喘息機會，紛紛向艦隊衝去。但才剛進入艦隊防空圈，日軍飛行員就感覺這支艦隊的防空火力很不尋常，不，應該說太強了！
他們的感覺沒錯，不僅兩艘臺灣島級重巡洋艦在大改時著重加強防空，北京級戰列艦和長江級輕巡洋艦在改進中也強化了防空火力。前者擁有十門120毫米高炮，二十門雙聯40毫米高炮，二十四門單管25毫米機關炮。長江級輕巡也在陸續的改進中，將原來的六門四聯40毫米高炮改成效率更高的十二門雙聯40毫米和20門單管25毫米高炮。即使不算護航的八艘驅逐艦，六艘主力艦的防空火力也三倍於白起號編隊。
日軍飛行員明顯不適應這麼強的防空火力，剛衝進去就感覺自己被炮火包圍了，一團團硝煙在自己四周炸開，尤其是大中口徑的無線電近炸炮彈，很輕易就在空中捲起一股金屬風暴。爆裂飛散的彈片撕碎鋁殼，穿透玻璃，扎入身體，將機艙攪得血肉模糊。一些甚至還破壞了機翼和機身大樑，導致飛機從中間折斷。最慘的是那些被彈片擊中掛載的炸彈和魚雷的飛機，根本跳傘的機會都沒有。只短短一兩分鐘，就有七八架日軍攻擊機被擊落。更糟糕的是，淵津美志雄和日軍飛行員得到的命令是攻擊航母，而此時他們面前根本看不到任何平甲板的軍艦。
淵津美志雄知道，自己再次中計了！而且現在他的攻擊機群已經死傷大半，想掉頭都不可能。「八嘎！這些卑鄙的支那豬！殺死他們！」連連被戲耍後，氣得他面色猙獰，瘋狂地叫嚷著，緊握操作杆一頭就向南京號戰列艦衝去。
一直在注意這架非常頑強的九九艦爆的柳哲生見狀大喊不好，不顧危險立刻向發動機噴射甲烷，以接近700公里的速度衝入艦隊防空圈。這樣做是非常危險的，因為高炮可不長眼睛，激烈的戰鬥中炮手們根本來不及分辨那是誰的飛機。
但他已經顧不上多想，唯一的念頭就是擊落這架威脅戰列艦的九九艦爆。利用速度迅速拉近後，不等進入最佳距離，就狠狠扣下扳機。「噠噠噠……」六道火線，在淵津美志雄身後交錯穿插，當他眼看著快接近南京號戰列艦時，機身猛然一顫，左機翼頓時被擊中起火。柳哲生見狀大鬆口氣，在他看來這架九九艦爆肯定要追回了，所以立即準備離開高炮圈，免費被誤傷。但就在他轉彎時，卻猛然瞪大眼睛。因為他看到，那架明明被自己擊中的九九艦爆居然在臨近墜海前，帶著炸彈強行拉起，一頭撞上南京號艦艏一號炮塔。「轟！」驚天動地的巨響中，南京號戰列艦的一號炮塔處衝起一團巨大的火球，右邊那根數十噸的炮管直接被炸成兩截，甲板上更是火焰四起。
目睹日機第一次自殺性攻擊的柳哲生和水兵們紛紛倒吸口冷氣，沒想到自己的對手那麼瘋狂。萬幸的是，淵津美志雄的自殺進攻對皮糙肉厚的戰列艦來說並不算多大傷害，雖然看起來一號炮塔損傷嚴重，還斷了一根炮管，但其實不算嚴重，後來一號炮塔剩下的兩門主炮還參加了幾天後對塞班島的炮擊。
這次自殺進攻成了整個戰役最後的火花，日軍第三波攻擊機群中只有七架飛機完成攻擊，其餘全部在進攻前就被擊落。開戰前號稱命中率超過百分之八十的日軍精銳飛行員在綿密的防空火力干擾下，只有三枚炸彈命中目標，剩餘全部偏離。連發現上當後才起飛趕來的最後一波20架攻擊機，也只有6架完成投彈，僅有十五架日機趁亂逃回塞班。但兩天後就繼續撤退，前往特魯克和硫磺島。
最後一波日機被擊潰後，好訊息終於傳來。
繼赤城號和加賀號相繼沉沒後，從關島阿加尼亞機場起飛的30架俯衝轟炸機也趁日機降落的機會，發動進攻。最後龍驤號吃了六枚炸彈翻覆，被自己的時雨號驅逐艦用魚雷擊沉，祥鳳號也被三枚炸彈命中起火。得知訊息，潘杜恆立刻向秉文請求發動第三波進攻，繼續進攻兩艘最上級重巡洋艦、祥鳳號航母和塞班的日軍第五艦隊。
上午十點，迴歸的攻擊機群再次起飛，並與十二點追上往北逃的最上號和三隈重巡洋艦。雖然護航軍艦拼死抵抗，但是去戰鬥機保護的重巡根本擋不住那麼多攻擊機，只堅持了半個小時就被擊沉。但另外三波攻擊機卻很不順利。
祥鳳號航母雖然中了三枚炸彈，但因為近藤信竹在放棄攻擊白富安後，就跑來和第四艦隊匯合，靠著他的指揮利用雲層掩護逃走。不過祥鳳號也沒能堅持多久，就在即將抵達特魯克錨地時，蛟229號潛艇發現了這艘被時雨號驅逐艦拖帶，速度不足10節的輕型航母，用兩枚魚雷將其送入大海。
真正讓潘杜恒生氣的是，本該和赤城號一起活動的兩艘金剛級戰列艦已經完全失去蹤跡。雖然他有心繼續擴大戰果，帶航母向北追擊，但秉文卻終止了搜尋的命令，下令收束艦隊，向阿普拉港集中。
至此，關島海戰結束。
頂著首戰不利的逆風，中國海軍xn21戰鬥群在馬里亞納群島，以一艘護航航母和兩艘戰列艦為掩護，完成了漂亮的翻身仗。最後僅損失一艘護航航母（白起號回到阿普拉港後，因傷勢過重被海軍放棄），一艘戰列艦輕傷，一艘重巡、三艘輕巡和七艘驅逐艦受傷、四艘驅逐艦、三艘潛艇沉沒，總計傷亡1400名將士。卻一舉擊沉赤城、加賀、龍驤和祥鳳號四艘日本航母、還擊沉最上號、三隈號和鈴谷號三艘，擊沉龍田和由良號輕巡洋艦，還有八艘驅逐艦和五艘特設炮艦/巡洋艦，並擊落各類戰機233架，跟隨艦船和飛機死亡的日本海軍人員更是高達五千餘人。
至此，一度橫行西南太平洋的日本機動艦隊在開戰後僅半個月就灰飛煙滅，開戰前號稱世界第三的日本海軍僅剩四艘航母、六艘戰列艦和十三艘重巡洋艦，總噸位下降一半。而對中國海軍來說，此戰不僅為徹底奪取關島和馬里亞納群島打下堅實基礎，成功切斷日軍南北聯絡的主要通道，更向世界宣告，他們不再是近海海軍，已經擁有在遠海作戰並獲得勝利的能力。
正如對馬海戰奠定日本世界海軍的地位一樣，關島海戰同樣讓中國海軍躋身世界海軍強國行列。