清晨6时55分，米切尔收到了斯普鲁恩斯发来的电令：“受伤的‘瑞鹤’号可能仍未沉没。倘若如此，我相信它最可能撤往西北方向。要求本日尽可能让我们的搜索机向西。如果没有任何关于敌舰的侦察结果，这表明他们正在撤退，且本日过后做更远的追逐是无益的。如果你同意，那就在今晚撤回塞班岛。我会命令油船跟随第四大队，并使他们继续留在塞班岛附近。必须击沉‘瑞鹤’号，如果我们能够找到它的话。”在这里斯普鲁恩斯显然是把“翔鹤”号和“瑞鹤”号搞混了，“翔鹤”号已在头天战沉。
为了寻找小泽的行踪，米切尔可谓煞费苦心。从上午11时09分起，“列克星敦”号12架、“大黄蜂”号12架、“黄蜂”号4架、“邦克山”号4架、“企业”号12架飞机纷纷出动索敌。为了让搜索队能飞得更远一些，美军鱼雷机都加挂了副油箱。但上午的持续搜索依然毫无发现。实际上美军的搜索距离短了120公里，但这已是舰载机能够覆盖的最大范围。中午时分，美机的搜索半径扩大到760公里，却又从日军舰队北侧擦肩而过。眼前的一幕让美国人十分恼火：虽然在前一天挫败了日军的进攻，但他们的舰队却如幽灵一般踪影不见。你知道他就在那里，可就是找不到具体位置。数百名美军飞行员只能呆坐在待机室里，焦急地等待着越来越遥不可及的出击命令。
“我们还抱有一丝希望，但愿日军舰队愚蠢至极，在大多数舰载机被摧毁的情况下仍然不走，”伯克颇感无奈地说，“此外还有一种可能性极小的情况，即敌舰掩护被潜艇击中的航母缓慢的速度向本土返航，这样就会给我们带来机会。我们继续追击的请求已经得到批准。但由于驱逐舰所剩燃料不多，如果可能的话，我们将于次日清晨由航母或巡洋舰为它们补充油料。”
一个上午没有任何目击报告，甚至连日军受损航母也不知去向。“印第安纳波利斯”号的作战室里同样气氛凝重。紧张的参谋们只是一个劲儿抽烟，导致室内烟雾缭绕，如同熏蚊子。斯普鲁恩斯平时既不喝酒也不抽烟，他很讨厌烟草的气味，之前他曾严禁有人在作战室抽烟。但在今天的紧张气氛之下，大家通常是不会听他的。斯普鲁恩斯也绝不会强迫改变身边人员的个人习惯，不管是抽烟还是参谋长穆尔总是把脚翘在家具上—之前斯普鲁恩斯多次制止他这么做时，穆尔总是说自己的鞋底要比家具干净得多。大家往往在上将出去时把烟点上，当他进来时再灭掉，他离开后再重新点上。因为斯普鲁恩斯频繁出入作战室，这样一支烟往往要灭灭点点好几次。这条对香烟的禁令成了旗舰上最让人可笑的事情。
下午12时05分，“企业”号飞行员罗伯特·纳尔逊上尉驾驶“复仇者”在沿295-305度进行搜索时，突然发现左侧8公里外有1架日机在相向而行。纳尔逊编队由2架鱼雷机和1架战斗机组成，他并未让护航战斗机飞行员威廉·维尔特中尉贸然攻击敌机。经验老道的纳尔逊认为，此时发现敌军航母比击落1架敌机更为重要。14时19分，在左前方15度、56公里之外的海面，上尉终于发现了舰艇快速航行拉出的白色尾迹。数分钟后，他通知僚机向自己靠拢，一同爬升至900米穿越前方大片雷雨区向左接近至19公里，前方终于出现了一支黑压压的舰队，那正是小泽亲自率领的第一机动舰队主力—姜还是老的辣呀！
纳尔逊按捺住心头的激动，迅疾于14时30分向“企业”号发回了接敌电报：“发现日军航母舰队，北纬15度、东经135度25分，航向270度，航速20节。敌舰队由两部分组成，一部向东、一部向西。北群有10艘军舰，南群有12艘舰艇。敌舰疑似正在补给，大型航母位于北群。日军航母甲板上没有飞机。”纳尔逊口中的北群正是小泽领军的第一航空战队，由“瑞鹤”号、2艘重巡洋舰、1艘轻巡洋舰和7艘驱逐舰组成。“南群”则是城岛少将的第二航空战队，该部仍有3艘航母、1艘战列舰、1艘巡洋舰和8艘驱逐舰。如果小泽能够躲过当天下午，他就可以带着剩余舰船完好无损地撤退，但是纳尔逊的及时发现改变了这一切。
凭借浓密云层的掩护，纳尔逊编队继续跟踪敌舰至15时10分。在听到长机的呼叫后，僚机飞行员詹姆斯·摩尔中尉对敌舰位置进行了核查，发现早前纳尔逊发出的位置与实际位置存在110公里偏差，并将这一情况及时通报了长机。经核对后，纳尔逊发现之前发出的位置有误。15时06分，他再次向舰队发出了纠正电报：“现发布敌舰位置的纠正电报，北纬15度35分、东经134度30分，重复一遍。完毕！”
就在纳尔逊发现小泽主力舰队的差不多时间，“企业”号飞行员罗伯特·琼斯中尉的编队发现了另一支日军舰队。15时整，电报员罗伯特·格雷尼尔一等军士同样发出了接敌电报，“发现许多舰船，其中包括1艘航母，东经134度12分，北纬14度55分。”15时40分，琼斯又一次发出了补充电文：“日军舰队分为两群，一群位于另一群正北10海里，编成为10-12艘舰船，内含1艘航母、4艘战列舰、6艘巡洋舰，航向0度，航速12节。”估计师兄们从舰队编成已经听出来了，琼斯中尉发现的正是栗田的前卫舰队。因为在19日的战斗中并未遭遇攻击，栗田麾下仍有轻型航母3艘、战列舰4艘、重巡洋舰8艘、轻巡洋舰1艘和驱逐舰7艘。
纳尔逊和琼斯向“企业”号发出的电文同时被“爱宕”号、“最上”号的日军电讯员截收到。虽然无法解读美军飞行员发出电文的准确内容，但那肯定是接敌电报无疑。14时40分，栗田紧急致电小泽：“截听到敌方电报如下，‘发现敌舰队’！”15时05分，栗田致电机动舰队各舰，“敌机已发出我方舰队全貌之报告。”半小时后，栗田发出了第三封急电：“据敌机呼出代码判断，推定敌接触机为3架，并已通报我方之行踪。”看来一向注意后路的栗田对对手的反应比谁都敏感。
即使没有栗田的报告，小泽也知道大难即将临头。14时45分，他同样收到了大林少将发来的电文，“截听敌机电话‘我高度1500米，发现敌舰队，航速20节’。”15时38分，小泽收到了“最上”号舰长藤间良海军大佐发来的电文，“截听到敌机接连发送我军位置的电报。”鉴于补给船队距美军最近，小泽迅疾发出了第一道紧急命令：“第一、第二补给部队以最快速度向西方规避。”
（正文）
时间在一分一秒过去，前方依然毫无消息。“列克星敦”号的作战室里，第五十八特混舰队的参谋们几乎要公开叛乱了。一些人开始公开抱怨，正是斯普鲁恩斯近两日的保守决定导致了美军此时的被动和毫无战果。接到纳尔逊发回的接敌电报，米切尔中将如释重负。被日本人按住打了几乎一天，现在终于逮住还手的机会了。他在第一时间通过TBS告知属下所有指挥官及各舰舰长：“有充分迹象表明，我们的飞机已经发现了一些大家伙，航速23节。所有在本通信线路的指挥官请确认，完毕。”14时48分，伯克再次通过TBS发出通知：“发现敌舰队位于北纬15度02分，东经135度25分，航速20节，航向270度。收报情况不良。各位留意不同信息已核查的位置、航向及航速。”伯克话音刚落，米切尔已迫不及待地发出了命令：“各大队注意，准备出动攻击机群！”
日本人终于现身了！但双方的距离是如此之远，该不该发起进攻着实让人挠头。如果立刻发起进攻，则舰载机将不得不在极限航程上作战，稍有耽搁就可能难以安全返航。“即便敌舰所在方位与我们的猜测一致，那么剩余燃油也仅够我军飞机发动袭击后返回航母，这需要飞行员在行动中最大限度地节约燃油，既不能速度过快，也不能飞得太高，”伯克说，“但在发动攻击时这两点是必不可少的。”况且即使战况顺利，机群可以安全返回，它们回到舰队上空时天色也会全黑。在当时条件下，夜间降落危险极大。除夜航战斗机中队之外，大部分美军飞行员并不具备黑暗中在航母起降的能力。但是如果放弃进攻，继续追击以拉近距离等次日清晨再放飞攻击机群，敌人很可能凭借暗夜的掩护趁机溜掉了。况且第二天能不能及时发现他们尚属疑问。是以牺牲飞行员为代价断然实施攻击，还是放弃攻击以保障飞行员们的安全呢？纠结呀！