在基本完成回收作业之后，21时25分，米切尔下令舰队以280度航向、16节速度继续向西追击。为了搜索并营救尚未被救起的机组成员，除第七大队之外，其余三个航母大队各留下一个驱逐舰分队继续实施打捞作业。米切尔同时致电珍珠港的尼米兹上将，请他指示洛克伍德中将派出更多的潜艇到事发海域帮助打捞幸存者。
21时28分，米切尔通过TBS告知斯普鲁恩斯：“相信所有敌军航母和许多其他舰艇已被击伤，我们将以16节速度航行，以便救起更多的落水飞行员。”因之前回收舰载机舰队高速向东行驶，导致第五十八特混舰队与日军的距离进一步拉大。此外众多驱逐舰分散在轮型阵周围实施打捞作业，也耽误了一些时间，部分驱逐舰将在次日清晨用光燃油。6月21日零时，米切尔判断日军舰队很可能已经驶出美军舰载机的攻击半径，遂下令取消夜间攻击和跟踪任务。0时30分，水上飞机飞行员菲利克斯上尉发回电文，声称在北纬16度30分、东经132度48分发现一支由约25艘舰艇组成的日军舰队，航向330度，航速15节，舰队后方有大片油迹。
菲利克斯发现的无疑正是小泽的主力舰队。在将敌舰位置在海图上标出之后，伯克测定双方距离已经超过600公里。米切尔迅速向三支航母大队下达命令，“破晓之后，尽可能迅速地派出攻击机群。”4时44分到5时34分，由202架舰载机—其中“地狱猫”83架、“地狱俯冲者”44架、“无畏式”18架、“复仇者”57架—组成的攻击机群再次起飞攻敌。他们在飞出470公里后又以330度航向飞行了83公里，毫无发现。8时21分到10时10分，上述飞机陆续返回母舰降落，只有参加过前两日激战的“列克星敦”号战斗机飞行员威廉·塞弗尔少尉在降落时坠海身亡。
期间在5时57分，另一架水上飞机发回报告说，“北纬17度30分、东经132度03分发现敌军航母舰队”。7时10分，该机发回补充报告：“日军舰队航向320度，航速20节。”此时双方距离约590公里，且日军舰队正在高速行驶之中，指望在当天缩小差距希望不大。7时整，米切尔致电斯普鲁恩斯，说明追上敌军的希望渺茫：“目前我方与敌距离约670公里。如果攻击队飞得更远，他们将不得不再次在海上迫降。以现在的攻击半径，空中打击是无法抵达目标的。”
但米切尔仍然没有放弃最后一线希望。为解决驱逐舰的油荒问题，米切尔下令由航母和战列舰临时为它们补充燃料。海上加油导致李中将的第七大队只能以11节速度进行追击。到下午14时40分，第七大队的速度逐渐提高到15节。在此之前，斯普鲁恩斯已经下令“印第安纳波利斯”号脱离第三大队，加入李中将的第七大队。他热切希望能够和李一起并肩作战，打击因遭重创而掉队的日军战船，就像他在空袭特鲁克时单独率队出击那样—老斯是多么渴望脱光膀子和日本人来一次海上炮战呀，老酒及众师兄是真想看呀！当得知日军已经跑远的消息之后，他只能认定目前已无穷寇可追。18时他命令米切尔，改舰队航向为90度，沿纬度15度30分撤回塞班岛近海。至此，这场人类历史上最大规模的航母对决终于落下帷幕。在追击中，第七大队最远航行至北纬16度、东经133度55分海域，此处距菲律宾萨马岛1010公里，距塞班岛1270公里。
小泽已经绝尘而去，美国人取得了菲律宾海战—日军称之为马里亚纳海战—的辉煌胜利。他们以4艘舰艇受轻伤、损失130架飞机—包括最后在舰队周围迫降或坠毁的79架—为代价，击沉日军3艘航母，击毁小泽92%的舰载机和栗田72%的水上飞机。如果加上角田部队的损失，日军在短短两天里损失战机超过了500架。日军花费近两年时间精心打造的海军航空兵部队重新归零。在四个月后的莱特湾海战中，他们只能充当“诱饵”的可怜角色。同时“阿号作战”的惨败也无可辩驳地表明，即使在作战计划完备、战术设计高超、握有天时地利且先发制人的情况下，联合舰队也无法从他们日益强大的对手中争取到一场胜利。正如“东京玫瑰”在战前广播中叫嚣的那样—“丧钟敲响了”，可惜听到丧钟的恰恰是他们自己。
对美国人来说，伴随胜利而来的并不都是兴奋和喜悦。在战后提交的报告中，米切尔中将沮丧地写道：“敌人跑掉了。他们被我们的一次猛烈空袭重创，但是他们的舰队还在。”“黑猩猩”克拉克少将公开指责斯普鲁恩斯，说他的保守战术使美国人错过了“百年难逢的机会”。蒙哥马利少将在正式报告中毫不掩饰对放走日军机动部队的不满，“作战结果对所有人来说都是极度失望的，因为敌军的主力舰队一年多来第一次正面来袭，并且对我们的大部队发起了数次空袭，最终却从我们的追击中逃脱。实际上，我塞班岛部队一直受到良好的保护以应对敌军的水面部队。我军展开如此多的兵力，却未能取得发动攻势的机会，直到很晚才去阻止敌人的撤退。”
在珍珠港，对此最义愤填膺的当属已升任副司令官的陶尔斯中将。他之前一直对让斯普鲁恩斯执掌第五舰队心存不满。这次他索性直接找到尼米兹，要求他解除斯普鲁恩斯的职务，而由自己取而代之。对斯普鲁恩斯不满的绝非陶尔斯一人。1944年6月太平洋舰队总部“作战纪要”中有这样的记录：“攻占南马里亚纳群岛的目的顺利达到，但有些人对没有进行决定性的‘海上会战’感到失望。本来我们指望可以打一次大胜仗，从而缩短战争。”在海军航空兵司令部里，大家普遍的意见是：“这就是用非航空人员指挥航空母舰的最后结果。”连远在努美阿的哈尔西也一反常态地指责老友，“海军错失了赢得战争的最佳机会”。
对19日没有下令向西迎击日军机动舰队，斯普鲁恩斯同样心存遗憾。他战后的信件反映了自己的失望，“作为一个战略问题，”他告诉战史专家莫里森少将，“我认为，在日本航母行动之后立即行动并击败他们的航母会比等他们来攻击我们更令人满意，也更符合要求。但我们当时在一个非常重要和大型的两栖行动开始阶段，我们不能赌博并使之处于危险之中。”斯普鲁恩斯并没有为自己寻找借口，之后他明确指出，“如果当时紧追小泽舰队，本可以取得更出色更加令人满意的战果。”
尼米兹一贯支持斯普鲁恩斯，陶尔斯的话对他来说相当于没说。作为太平洋舰队的一把手，他更看重的是总体效果。尼米兹认为，在洛克伍德麾下潜艇的大力支持下，第五十八特混舰队已经将日本人打得毫无还手之力。尽管日军舰队尚未葬身海底，但是已经形同虚设，且特纳的两栖部队始终未遭受太大威胁，这就够了。后来他在回忆录中这样写道：“直到战争结束，我们才知道斯普鲁恩斯当时采取的战术是完全正确的。从缴获日军的档案来看，6月19日那天，他凭运气或直觉把第五十八特混舰队部署在最理想的位置上。”对尼米兹的说法，吃瓜只嫌瓜小的老酒窃以为“也不见得”。
金和尼米兹一样支持斯普鲁恩斯。他对此发表了自己的看法：“美军在这个地区的主要任务是攻占马里亚纳群岛。因此，必须不惜一切代价排除敌军干扰，保证塞班岛的两栖作战。斯普鲁恩斯在执行作战计划中把它发展成为菲律宾海战是完全符合这一基本要求的。”美军拿下塞班岛之后，金很快就来到了岛上。他所做的第一件事就是要斯普鲁恩斯放心，不管别人说什么，第五舰队在菲律宾海海战中的作法完全正确。金告诉所有人必须记住，“日军在濑户内海还有一支舰队已经作好了出击的准备”。老酒认为这纯粹是在为斯普鲁恩斯开脱，事实上联合舰队主力已经倾巢而出了。
战后，美国著名传记作家E·B·波特在给斯普鲁恩斯的一封信中这样写道：“日军之所以恼羞成怒，是因为你总是适时而动（对他们来说，并不是一个好时机），他们动不了你的一根汗毛。如果非要找一个词来形容你这种飘忽不定的行踪，他们能想到的只有‘谨慎’。小泽治三郎说你是一个谨慎的人，我想，他多半是指你基本不会落入他们的圈套。他还用另一个词来形容过你，这个词从日语翻译过来叫做‘正统’。他的意思是，他知道你的每一步都经过深思熟虑，然后找到一个志在必得却不会产生不必要风险的解决方案，而且该方案符合公认的战争原则。因此，他们觉得，与哈尔西将军相比，你的行动更加容易预测。小泽对哈尔西的评价可以用‘冲动’一词来形容。”
四个月后的莱特湾海战中，哈尔西将为“冲动”一词作出最好的诠释。