1944年3月23日，尼米兹和几名参谋离开珍珠港飞往布里斯班，与西南太平洋战区司令麦克阿瑟举行会面。这是自太平洋战争爆发以来，麦克阿瑟第一次邀请尼米兹到访自己的司令部，由此可见太平洋上两位统帅之间微妙的关系。
麦克阿瑟要和尼米兹改善关系是出于实用需要的。他在美军内部越来越孤立，不仅是海军，作为战时最高统帅部，参谋长联席会议里的诸位高层也对他的傲慢无礼感到不满。在不久前举行参谋长联席会议上，美军已经确定西南太平洋战区将于4月在霍兰迪亚登陆，麦克阿瑟希望尼米兹的海军可以提供支援。
尼米兹自然清楚此行的目的，临行前他特意将第5舰队司令斯普鲁恩斯从夸贾林召回，二人商定分两步支援麦克阿瑟的行动。4月1日，第5舰队第58特混舰队将袭击帕劳群岛和加罗林群岛日军海空基地，剪除麦克阿瑟的右翼威胁；4月15日，也就是西南太平洋战区开始登陆时，第58特混舰队将为登陆部队直接提供空中支援。
尼米兹还为麦克阿瑟的家人准备了礼物。他在檀香山为麦克阿瑟独子阿瑟四世买了一件丝质运动衫，从朋友那里弄到一盆珍贵的兰花准备送给麦克阿瑟夫人，又买了几盒夏威夷特有的糖果准备送给麦克阿瑟一家。
3月25日，尼米兹一行乘坐水上飞机抵达布里斯班，令他惊讶的是麦克阿瑟亲自到码头迎接。接待礼节是无可挑剔的，第二天举行的磋商也很顺利。只是在会议讨论最后一个议题时，发生了争执。根据参谋长联席会议的指示，如果日军在未来几个月实力迅速下降，美军应该大胆绕过菲律宾群岛，直接进入中国沿海，构成对日本本土的直接威胁。
麦克阿瑟没忍住，发了脾气，他发表了一番长篇大论，强调美国不能抛弃1700万菲律宾人。当初美国抛弃了它，现在要对菲律宾人负责等等。情绪激动时，麦克阿瑟捎带着挖苦了一番参谋长联席会议的高官们，称“待在华盛顿的先生们不了解情况，从来没有听过枪炮声，却在那里炮制太平洋战争的战略”。尼米兹耐心地等麦克阿瑟说完，然后表达了自己的立场：“我能理解你的心情，但我不同意你的看法。参谋长联席会议的成员们同我们一样，都在努力工作。从内心讲我是钦佩他们的。”
1944年5月初，海军作战部与太平洋舰队司令部在旧金山举行联席会议。海军作战部长欧内斯特·金照例介绍了整个二战的战局，并向与会众人通报盟军将于一个月后在法国诺曼底登陆的消息。美英参谋长联席会议已经决定，在打败德国后一年之内结束对日作战。所以太平洋战场的进攻节奏必须加快。
会议明确了马里亚纳群岛作战目的，即夺取塞班岛、关岛和提尼安岛，控制中太平洋交通线，为进一步攻击实施支援。会议还讨论了进入中国作战和动用中国军队的问题，但是议而不决。
这次会议还有一个成果，即哈尔西提出的太平洋舰队指挥机构实行“两班制”。自太平洋反攻开始后，哈尔西所在的西南太平洋远离主战场，已经逐步降格为守备部队。除了指挥机构，其所辖的陆军部队和一部分军舰已经移交给麦克阿瑟，海军陆战队和大部分舰船则调给了中太平洋战区。
根据哈尔西的提议，尼米兹决定哈尔西和斯普鲁恩斯领导的指挥机构轮番指挥太平洋舰队主力，当斯普鲁恩斯指挥时，对外番号为第5舰队；当哈尔西指挥时，对外番号为第3舰队。一套指挥机构指挥作战，另一套指挥机构则进行整训并制定下一次行动的作战计划。这样带来的好处是可以缩短战役准备时间，加快反攻的进度。
就在太平洋舰队加紧实施行动时，日本联合舰队司令古贺峰一竟然神秘失踪了。原来在4月1日第58特混舰队对帕劳群岛实施轰炸时，古贺峰一与参谋长提前一天分乘两架水上飞机从帕劳撤往菲律宾，途中遭遇暴风雨。联合舰队参谋长乘坐的飞机迫降在菲律宾宿务岛附近，古贺峰一的座机则下落不明。5月5日，日本方面宣布丰田副武继任联合舰队司令。
联合舰队参谋长后来被菲律宾游击队俘获，其随身携带的一箱机密文件则被游击队交到了美军手中。这些文件中夹带着一份名为“Z计划”的提纲，显然是日军制定的作战计划。
“Z计划”最终交到了太平洋战区情报处处长莱顿的手中，精通日语的莱顿亲自动手，把它翻译成英文，一个联合舰队寻求与太平洋舰队决战的计划浮出水面。
太平洋舰队一直期望与日军剩余的航母进行一场决战。“Z计划”提到了日军航母“翔鹤”号和“瑞鹤”号，这两艘航母都参加了偷袭珍珠港的行动，其余四艘航母（“赤城”号、“加贺”号、“飞龙”号、“苍龙”号）则已经在中途岛海战中被美军击沉。包括尼米兹在内的海军将领都希望尽早消灭“瑞鹤”号和“翔鹤”号航母，以报珍珠港事件的一箭之仇。尼米兹还宣称：“有朝一日，当我的办公桌上看到击沉日军这两艘航母的电报时，一定是我一生中最高兴的一天。”
1944年6月6日，斯普鲁恩斯率领第5舰队从马绍尔群岛出发，再次踏上征程。第5舰队此时实力继续壮大，米切尔的第58特混舰队内编有15艘航母，搭载956架作战飞机；特纳的两栖作战舰队则拥有535艘舰船。考虑到日军在塞班岛、关岛和提尼安岛的防御兵力将近6万人，霍兰德·史密斯率领的登陆部队达到5个师，分别是海军陆战队第2、第3、第4师，以及陆军第27、第77步兵师，总兵力12.7万人。
6月11日，第58特混舰队出动舰载机开始对塞班岛、提尼安岛、关岛和罗塔岛日军基地实施轰炸，击毁日军陆基飞机300余架，使其基本丧失了空战能力。6月15日，海军陆战队第2和第4师开始在塞班岛实施登陆。
联合舰队新任司令丰田副武一直密切关注着美军的动向。起初日军判断美军进攻目标将是菲律宾群岛，但第58特混舰队在6月11日出动大批飞机空袭马里亚纳群岛各处机场，让丰田副武意识到判断有误，随后他立即启动“Z计划”的改版——“阿”号作战计划。
联合舰队自偷袭珍珠港后，大部分主力航母在中途岛海战中被击沉。日本没有美国那样强大的军工生产能力，自太平洋战争爆发以来，海军仅在1944年初新增了“大凤”号重型航母。为了弥补海上作战力量的不足，日本又不得不将水上航母和油轮改造成轻型航母，但这些航母航速偏慢，没有护甲，攻防能力均与重型航母无法相比。
为了实施“阿”号作战行动，联合舰队竭尽所能地集结了一支实力可观的机动舰队，下辖3艘重型航母和6艘轻型航母，可搭载作战飞机430架。丰田副武清楚己方实力处于劣势，他原本寄希望于马里亚纳群岛和特鲁克港部署的陆基飞机可以一同参战，但马里亚纳群岛的飞机已经损失殆尽，特鲁克机场的飞机数量又十分有限。
双方实力并不完全表现在航母和舰载机数量上。过去2年多的作战中，日军在战前精心培养的数千名优秀飞行员已经所剩无几，联合舰队中现有的飞行员普遍缺少飞行训练。日军唯一有优势的地方是己方飞机的作战半径为400海里，美军的只有280海里。不仅如此，日军飞机可以就近在关岛、罗塔岛加油补充弹药，从而提高作战效率。
6月13日，丰田副武下令舰队启航，驶往马里亚纳群岛与美军太平洋舰队决战。
日军舰队刚一离港，就被美军潜艇部队“红鳍鱼”号发现，并立即把情报发送回总部。斯普鲁恩斯不敢大意，立即调整部署，命令潜艇部队司令洛克伍德密切注视日军动向；陆战第3师暂缓登陆关岛；特纳手中的8艘巡洋舰和21艘驱逐舰调给米切尔，然后令第58特混舰队摆开阵势，迎战日本联合舰队。
洛克伍德率领潜艇部队在马里亚纳群岛西南拉开了一条警戒线，他给各潜艇下达的命令既大胆又谨慎：遇敌后先进攻后报告，但要注意海上有己方舰船，务必明确系敌方军舰才可以开火。
在之后的几天，根据潜艇部队的报告，第5舰队已经判明日军至少有两支编队。米切尔提出率舰队主动接近日舰，斯普鲁恩斯则非常犹豫。这不是一场单纯的海战，第5舰队的核心任务是夺取马里亚纳群岛，登陆部队正在塞班岛激战，舰队主力一旦离开马里亚纳群岛海域，日军借机偷袭登陆部队和两栖支援舰队必然会给美军造成严重损失。所以他拒绝了米切尔的请求，命令他未接到命令前，绝不可以离开马里亚纳群岛海域。
等待海上决战的时间极其难熬。更让斯普鲁恩斯和米切尔焦急的是自6月17日潜艇部队捕捉到日军踪迹后，直到18日晚再也没有敌方的消息。航母上起飞的侦察机在18日一整天的搜索中也毫无结果。直到19日凌晨，日军打破无线电缄默，其发出的电讯信号被美军侦知。米切尔在斯普鲁恩斯的同意下，将舰队向西南方向移动，海上决战就此拉开帷幕。
6月19日晨，美军雷达发现日军机群从西面飞来，距离舰队150海里。这是日军派出的第一波次攻击机，共计69架飞机。米切尔下令舰队向西航行20分钟，然后改为迎风航行。舰载轰炸机和鱼雷机奉命起飞，轰炸关岛机场，使其不能收容日军舰载机。随后战斗机也奉命升空，迎战日军攻击机群。
双方在海上的空中格斗呈一边倒的态势，无论是飞机数量、性能还是飞行员的素质，美军都占据优势，于是他们为人类提供了一个新物种——“马里亚纳火鸡”。日军第一波次攻击很快就损失了25架飞机，剩余的飞机则摆脱空中纠缠，冲向美军航母。美军第二道防御火力由舰上高炮构成，密集的炮火又击落了20多架日军飞机，其间仅有一架日军飞机投下的炸弹击中“南达科他”号战列舰，致27名舰员阵亡。
由128架攻击机组成日军第二波次攻击机群于11时30分抵达第58特混舰队上空。在冲击美军战斗机群拦截时，已经损失一半。30多架飞机突防成功，在对舰攻击时2架俯冲轰炸机投下的炸弹击中“邦克山”号重型航母近旁，引发大火，造成2死73伤；“黄蜂”号被一枚炸弹击中，造成1死12伤；另一架飞机则直接撞向了“印第安纳”号战列舰的舰舷上。
日军47架攻击机组成的第三波次攻击集群在预定海域没能发现美舰，一部分飞机选择返航，另一部分20余架飞机在搜索时与美军遭遇，7架战机被击落，其余逃离战场。
下午2时，第四波次，也是日军最后一个波次共83架攻击机抵达交战上空，依旧没有发现美舰，18架飞机选择返航，50架飞机选择向北飞往关岛，15架战机则选择飞往罗塔岛。飞往罗塔岛的日军战机在20分钟后发现了不久前被第三波次袭击的美舰“邦克山”号和“黄蜂”号，他们随即冲向美舰，其中一枚炸弹击中“邦克山”号航母，所幸舰体损失并不严重。
飞往关岛的50架飞机在降落前遭遇美军战斗集群，31架飞机被击落，剩余19架飞机在满是弹坑的跑道上迫降，大部分受损无法修复。
至此日军历时八个半小时完成了自己的全部攻击。四轮进攻中日军从航母上累计出动飞机310架，损失飞机221架。第58特混舰队则损失29架战斗机和14名飞行员。
入夜后，斯普鲁恩斯致电尼米兹，汇报了美军取得的战果。尼米兹在这一天还收到了一份潜艇部队司令洛克伍德发来的战报。两艘潜艇趁日军忙于进攻时，偷偷潜入日军编队，击沉“大凤”号和“翔鹤”号航母。
6月20日，米切尔留下一个航母大队封锁关岛和罗塔岛海面，率领另外3个航母大队向南追击败退的日军舰队。当天下午4时，侦察机锁定日军舰队位置，米切尔立即下达“全部飞机出击”的命令。
日落前，几架美军鱼雷机在低空对日舰发动攻击，击沉“飞鹰”号航母和2艘油船，击伤1艘日军战列舰和1艘巡洋舰。另一支轰炸机编队则袭击了日舰“千代田”号轻型航母和“瑞鹤”号重型航母，致两艘航母甲板起火。
至此，“菲律宾海海战”全部结束。日军损失2艘重型航母、1艘轻型航母，另有2艘航母被击伤，战斗机累计损失380架。美军原本损失轻微，但在20日海战结束后，美军战机在夜幕下着陆时造成重大损失。此次海战美军舰载机累计损失130架，阵亡飞行员76人，没有一艘主力战舰被击沉。
经此一战，美军完全掌控了马里亚纳群岛的制海权和制空权。在之后的登陆作战中，守岛日军孤立无援，美军则稳步推进。
在塞班岛，美军共投入海军陆战队第2、第4师和陆军第27步兵师。战至7月6日，守岛指挥官斋藤一次和日军中太平洋舰队司令南云忠一相继自杀。7月9日，塞班岛战役结束。美军伤亡1.6万人，全歼守军3万人。
7月21日，海军陆战队第3师和第1临时陆战旅在关岛登陆。至8月10日，日军有组织抵抗结束。此战美军伤亡7000人，歼灭日军1.8万人。
7月24日，海军陆战队第2和第4师在提尼安岛登陆。至8月1日，守军9000人被全歼，美军则伤亡1700余人。
马里亚纳群岛战役结束后，日军“绝对防御圈”被美军突破。美军可以此为跳板，西进可直取菲律宾，北上可进攻日本本土。利用塞班岛和关岛的机场，美军远程轰炸机可以直接向日本本土实施战略轰炸。
