米彻尔看到有关日本舰队准确位置的报告后，曾经考虑召回已出击的机群返航，但是研究了海图以后，决定不召回第1波突击机群，仅仅取消了第2波突击机群的起飞准备。
落日前，第58特混舰队的飞行员发现低速行驶的日本油船数艘。有几架美机去袭击这几艘油船，并击沉2艘。其余美机则向西北作扇形搜索，以追踪日本航空母舰部队。经过连续突击，美轰炸机群炸毁了“千代田”和“瑞鹤”号航空母舰的飞行甲板，并使这2艘航空母舰起火，还炸伤战列舰和巡洋舰各一艘。数架“复仇者”式鱼雷机从云隙间俯冲下来，在低空成功地发射了鱼雷，有1至2条鱼雷击中“飞鹰”号航空母舰。该舰因大火引起舱内爆炸，舰体断裂，从舰首开始逐渐下沉，最后沉入海底。这是这次击沉的唯一的一艘战斗舰只。
小泽命令剩下的75架飞机起飞抗击，这些刚刚经过马里亚纳海战考验的日军舰载机打得很出色。日军的高射炮火和猛扑过来的“零式”战斗机相互配合，击落20架美军飞机，但是日军的损失更大。到6月20日日落时日本机动舰队的舰载机仅仅剩下35架了。
美航空母舰舰载机群完成战斗任务后，开始向第58特混舰队的方向返航。但有几架轰炸机和鱼雷机的油量表已经远远低于满载油量的一半，个别飞机的油量表指针甚至接近于零，处于危险状态。有些损伤严重的飞机首先坠人大海；接着，那些不注意节约汽油的飞行员也随着飞机落入海中；也有一些飞行员想赶在黄昏之前着舰，竟浪费了一些汽油；甚至还有一个分队通过无线电约定，待燃料耗尽后一同降落在海面上。
米彻尔命令他的3个航空母舰特混大队加大相互之间的距离，以便飞机着舰时能有更大的机动余地。秒针在不停地嗒嗒嗒转动，米彻尔在海图室与舰桥之间忐忑不安地踱来踱去。20时刚过，负责对空指挥的参谋报告：返航的第1批飞机即将临空。于是，美航空母舰特混舰队转而向东迎风航进，以便回收返航的飞机。
米彻尔回到海图室坐了下来，一面默默地吸着香烟，一面沉思起来。假如他解除特混舰队的灯火管制，打开探照灯，就能救起在海上迫降的多数飞行员；可是，这就暴露了本舰队的位置，有可能受到日本潜艇和航空兵的攻击。然而，米彻尔知道，他必须营救落水的飞行员，这不仅出于人道主义的考虑，而且是因为，如果航空母舰丧失了舰载机，它就不再是一种资本，而只能是一个累赘。于是他命令参谋长阿利·伯克海军上校：“开灯”。米彻尔的这种作法并非没有先例。中途岛海战时，为了在夜间回收返航的飞机，斯普鲁恩斯就曾果断地开灯。中途岛海战时，米彻尔任“大黄蜂”号航空母舰舰长。阿利·伯克(绰号是“31节·伯克”)在所罗门作战中因率驱逐舰编队屡建战功而负盛名；在空袭帛琉之前，他被任命为第58特混舰队的参谋长。
然后，米彻尔回到舰桥。不久，航行灯、锚灯等全部打开，把飞行甲板显示以来。担任警戒的军舰以127毫米火炮发射照明弹，而探照灯象导航灯塔一样，明亮的光束一直射向天空。
引导着舰的军官前后左右挥动着荧光棒，引导第1批的几架飞机安全着舰。但足，陆续返航的飞机都在进行着舰前的盘旋飞行，秩序较乱，引导着舰的军官很难让它们依次着舰。一发现有飞机耗尽油料在海上迫降肘，驱逐舰立即前去救生。还命令飞行员可在任一航空母舰降落。飞机在舰队上空盘旋，以便找到能够降落的飞行甲板。有一名飞行员竟不顾“列克星敦”号发出的等候着舰的信号，硬是向舰上降落。结果，与刚刚降落的6架飞机相撞，2人致死，6人负伤。还有2架飞机不顾信号，争先恐后地向“邦克山”降落，相互冲撞，2人死亡，4人受伤。在“企业”号航空母舰上，有1架战斗机和1架轰炸机同时降落，却出乎意外地安然无事。战斗机的机尾制动钩钩住了第2拦阻索，轰炸机的机尾制动钩钩住了第5拦阻索。
经过这场对日本舰队的黄昏追击战后，美国飞机因为在海上迫降或者着舰时发生碰撞而损失80架。22时32分，飞机着舰作业完毕后，第58特混舰队又向刚才交战的战场方向驶去，当夜的通宵和次日的一整天都是沿着飞机返航的航线，以16节航速前进。参加6月20日追击战的飞行员共为209人，除49人外，其他落水人员全被驱逐舰和水上飞机救起。
据斯普鲁恩斯判断，美国舰队为了回收返航飞机，已经向东航行了2个小时，接着又为援救落水人员而低速航行。这样一来，退却的日本舰队已经逃到美军再次实施空中突击的可能距离之外。21日晨，据“复仇者”式远程飞机报告，日机动舰队正在360海里以外的海域以20节航速向西北驶去。21日全天，几架“恶妇”式战斗机都在上述海域搜索，以捕捉可能掉队的日舰，但一无所获。日落后一小时，斯普鲁恩斯下令停止搜索，第58特混舰队开始向东航进。
一方面由于“大青花鱼”号和“棘鳍”号潜艇没有留在现场观察6月19日鱼雷攻击的战果，另一方面由于第58特混舰队的飞行员对战果的报告互不一致，美军在判定战果时只能较有把握地认为，击沉日本大型航空母舰1艘，重创轻型航空母舰2至3艘。这样的战果使许多海军军官感到失望，他们认为这与预期的绝对胜利相差甚远。
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