最后一波日机被击溃后，好消息终于传来。
继赤城号和加贺号相继沉没后，从关岛阿加尼亚机场起飞的30架俯冲轰炸机也趁日机降落的机会，发动进攻。最后龙骧号吃了六枚炸弹翻覆，被自己的时雨号驱逐舰用鱼雷击沉，祥凤号也被三枚炸弹命中起火。得知消息，潘杜恒立刻向秉文请求发动第三波进攻，继续进攻两艘最上级重巡洋舰、祥凤号航母和塞班的日军第五舰队。
上午十点，回归的攻击机群再次起飞，并与十二点追上往北逃的最上号和三隈重巡洋舰。虽然护航军舰拼死抵抗，但是去战斗机保护的重巡根本挡不住那么多攻击机，只坚持了半个小时就被击沉。但另外三波攻击机却很不顺利。
祥凤号航母虽然中了三枚炸弹，但因为近藤信竹在放弃攻击白富安后，就跑来和第四舰队汇合，靠着他的指挥利用云层掩护逃走。不过祥凤号也没能坚持多久，就在即将抵达特鲁克锚地时，蛟229号潜艇发现了这艘被时雨号驱逐舰拖带，速度不足10节的轻型航母，用两枚鱼雷将其送入大海。
真正让潘杜恒生气的是，本该和赤城号一起活动的两艘金刚级战列舰已经完全失去踪迹。虽然他有心继续扩大战果，带航母向北追击，但秉文却终止了搜索的命令，下令收束舰队，向阿普拉港集中。
至此，关岛海战结束。
顶着首战不利的逆风，中国海军XN21战斗群在马里亚纳群岛，以一艘护航航母和两艘战列舰为掩护，完成了漂亮的翻身仗。最后仅损失一艘护航航母（白起号回到阿普拉港后，因伤势过重被海军放弃），一艘战列舰轻伤，一艘重巡、三艘轻巡和七艘驱逐舰受伤、四艘驱逐舰、三艘潜艇沉没，总计伤亡1400名将士。却一举击沉赤城、加贺、龙骧和祥凤号四艘日本航母、还击沉最上号、三隈号和铃谷号三艘重巡重巡，击沉龙田和由良号轻巡洋舰，还有八艘
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