首先发难的是美军大青花鱼号潜艇。
上午9时15分，美军大青花鱼号潜艇潜航时发现小泽舰队的甲队，盯上日军阵中最大的大凤号航空母舰。
然而就在大青花鱼号正要对大凤号发射鱼雷时，却被日军水面舰艇发现而被攻击，又加上潜艇瞄准镜故障，其只能盲目送出6枚鱼雷同时下潜逃离。
一名日军飞行员不顾性命用自己与飞机挡下其中一枚鱼雷，有一枚仍幸运的击中大凤号航空母舰。
由于该舰装甲雄厚，特别注重防御能力，因此一时并未造成很大的影响。
但毕竟这艘航空母舰是针对太平洋战争初期美军颇强的俯冲轰炸攻击而进行防护设计，水线下的舰身对鱼雷防护不足。
而且日军最初的航母都不太重视隔舱设计，一旦遭受鱼雷攻击很容易就直接翻船。
这些隐忧，早就在一系列海战中显现出来。
直到一年多前，日本海军才意识到问题严重性，在后续航母建造中这个问题才得以根本改善，不过之前建造的那些航母却难以进行升级改造了。
上午10时22分，小泽舰队的甲队舰群闯入虎贲海军045号XXI型潜艇的潜伏海域。
很快，045号XXI型潜艇就盯上了舰群中的翔鹤号航空母舰。
历时20多分钟的精心调整后，XXI型潜艇对准翔鹤号航空母舰一口气发射出了6枚鱼雷。
由于XXI型潜艇隐蔽性很好，不用浮出水面发射鱼雷，故此045号XXI型潜艇发射的鱼雷可谓是又快又狠，在短短一分多钟时间内，至少有4枚直接命中翔鹤号航母。
翔鹤号航母当即遭受了致命性打击，不仅当场失去战力，更在短短2个多小时后便沉没海底，成为菲律宾海海战中第一艘被盟军击沉的日军舰艇。
而这个时候，先前遭鱼雷命中的另一艘航空母舰大凤号，则是情况进一步恶化了。
由于油气管外泄，导致油气弥漫了整个航空母舰的舰体。
到了下午三时，因为油气浓度过高，加上舰内人员不慎引起火花，使舰内燃起大火，
紧接着，随着火势蔓延，引爆了弹药库，使大凤号腹部接二连三发生大爆炸。
最终不得已仔细，小泽治三郎只能放弃自己的旗舰大凤号，移乘重巡洋舰羽黑离开，但其通讯设施远不足以担任旗舰的重要位置。
几个小时后，大凤号也随翔鹤号沉没在菲律宾海。
除此之外，还有几艘盟军潜艇先后发动了袭击，但由于日军舰队加强了防潜力度，尤其是对航母、战列舰、巡洋舰等主力战舰进行了重点保护，导致盟军潜艇很难获得近身攻击的机会。
甚至还有几艘潜艇在靠近日军舰群的过程中，被日军警戒舰艇提前发现而遭到攻击，只能仓皇出手后立即撤离。
这样一来，效果自然不会太好，最终仅仅只是干掉了两艘驱逐舰、两艘补给舰，而美军潜艇部队却付出了一艘被击沉，一艘被击伤的代价。
正当小泽损失两艘大型航空母舰时，日本第三波97架舰载机还正飞向马里亚纳群岛去攻击美军舰队。