在第43师团后续部队到达塞班岛的第4天，6月11日午后，美舰载机200架猛烈轰炸塞班岛，140架轰炸提尼安岛，140架轰炸关岛。
第二天早晨，480架美机铺天盖地飞临塞班岛上空，炸弹密如雨下，把塞班岛的中心城镇加拉潘大部分夷为灰烬。
6月13日，又有120架次飞机轰炸港湾、飞机场，并把新构筑的阵地变成弹坑，塞班岛周围已被美军的战舰完全包围。
紧随飞机轰炸以后，美军舰炮开始轰击的目标是海岸炮台、高射炮阵地、物资储存处、防御阵地等，连续炮击三昼夜，对岛上的破坏程度是太平洋战争中过去所未曾有过的。塞班岛上的椰子林全部烧光，露出地面的阵地全被炸平，日军司令部和各部队之间的通讯线路全被切断，指挥机陷于瘫痪。
从6月15日黎明，美军舰炮猛烈射击两小时后，大编队飞机向登陆预定海岸的第二线阵地进行地毯式轰炸，从海上的航空母舰上起飞的“复仇者式”飞机进行最后一轮轰炸。当天傍晚，美军冒着持续不断的日军炮火，已有两万多海军陆战队连同重武器登陆成功。
美海军斯普鲁恩斯将军为总指挥官，荷兰德·史密斯海军中将指挥登陆部队共约6.2万兵力，准备一举攻占塞班岛。
16日，精锐的后续部队继续登陆，不断扩大占领地域。此次登陆战，2万名美军共死伤约2500余人。防守部队由斋藤义次师团长指挥疯狂反扑，都被美军强大炮火和坦克的火力压垮，迫使日军主力部队节节后退。
到17日傍晚，日军防守部队已伤亡一半以上，第一线主力部队已基本被消灭，剩余日军只好撤退到山地的地下阵地中去。
塞班岛中部有一座塔波乔山，地形非常复杂。日军在山内修筑洞窟阵地，构筑四通八达的要塞，给进攻的美军造成很大困难。
美步兵第27师的两个团遇到日军顽强抵抗，连续三天不能前进一步。6月23日以后，美军加强攻势，在连续的炮击掩护下，美军发起立体进攻，日军潜伏在洞窟内顽强抵抗，战斗非常激烈。26日傍晚，美军占领塔波乔山，继续北进，30日占领塞班岛上最大的水源地，7月3日占领加拉潘市区。
美军战机飞越塞班岛上空，以掩护两栖作战部队登陆。
6月26日，美装甲部队突破日军严密防线，占领塔波乔山山顶。部分残余日军仍躲在山北麓进行顽抗。
美军三个师由南向北稳步推进，日军的抵抗越来越顽强，决心死守。美军的伤亡也很大。美总指挥官特纳少将对进攻速度太慢很不满意，决定亲临阵前指挥，战况十分激烈。
7月7日傍晚，日军已只剩下3000多人，其中还包括伤病员在内。到这时，日军向美军阵地发起自杀性的总攻击，发了疯的日军一面高喊万岁，一面往前冲，直至死亡殆尽。守军指挥官斋藤义次中将自杀。偷袭珍珠港的联合舰队司令官南云忠一中将也在岛上用手枪自杀。
据战后统计，塞班岛上日本陆海军共有约44000名，战死41000多名。两万多非战斗员中，有日本人、朝鲜人，有些被强迫自杀，有些被日军处死，共死亡8000到10000人。这次战役中，美军也付出了很大代价，战死2053人，受伤及失踪约13000人。
美军在拿下塞班岛和打垮了日本舰队的空军之后，便取得了马里亚纳地区的制空权。
东条英机内阁垮台
1944年初，日本伊势神宫社务所收到一封来信，这封信是塄市金冈陆军医院内的一位伤残军人写来的，表达了受压迫受奴役的日本人民再也不能忍受东条等一小撮军国主义分子的欺凌了。信中这样写道：
“日本战败，我希望看一看天皇成为美国俘虏、成为奴隶时的模样。喜好战争的日本，命中注定要遭到老天爷的惩罚，一定失败。立即和美英握手拯救一亿国民吧！只有这样做，才能使我们的丈夫、儿子、父亲不再被运往战场，不再在空袭下担惊受怕，肚子也能吃上一顿饱饭。我们厌恶战争，东条英机是不是第二个平清盛呢？”
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