在30英里之外，12架在“约克城”号上空巡逻的“野猫”战斗机从上面向日军的轰炸机俯冲过来，击落了10架轰炸机。小林上尉和他的战友们，驾驶着剩余的轰炸机，突破了“约克城”号上密集的防空炮火，向这艘航空母舰俯冲过来。舰上的炮火怒吼着进行还击，小林的飞机中弹爆炸了。但是他投下的炸弹落下来，在航母的飞行甲板上爆炸，将甲板炸得粉碎。
甲板上飞机棚里的很多飞机着火燃烧了；甲板上的消防人员迅速扑灭了大火。但是第二颗炸弹迅速穿过前甲板上的升降机，在甲板的底部发生爆炸，威胁到了弹药库和一个极强烈的燃料供应舱。不过弹药库被迅速释放的海水淹没，燃料舱也浸没在大量的二氧化碳中，这些威胁被清除了。
接着，第三枚炸弹在“约克城”号的烟筒里面爆炸。它炸飞了废烟排放筒，炸毁了船上6个锅炉中的5个，“约克城”号航空母舰最终停在了海水中。
在这次攻击行动中，只有6架日本飞机返航。但是其中1架飞机发回给南云的消息，帮助他缓和了一下失败的痛苦：“敌人的航空母舰被炸燃烧了！”
下午1时，弗莱彻把他的舰旗转移到了“阿斯托利亚”号巡洋舰上，并给尼米兹将军发射了无线电报，要求将第十七特遣舰队停下来保护“约克城”号航母，而放弃对斯普鲁恩斯战术上的增援。弗莱彻刚刚离开“约克城”号航母，机舱的修理人员就使锅炉重新恢复工作了。它一点点地向前移动，到了下午2时，令船员们高兴的是，这艘航空母舰的最高时速达到了20节。
但是第二波日军攻击战机出现了。10架鱼雷轰炸机和6架“零”式战斗机--“飞龙”号上剩余的全部飞机迅速飞了过来。对他们的指挥官朝永振一郎来说，这已经是他们当天第二次的任务了。他知道这将是他的最后一次任务。那天早上，在中途岛上空，他的机翼副油箱被击中；现在，他仅仅有足够单程的飞行燃油。
朝永振一郎已经用完了大部分燃油。在他的“零”式战斗机和“约克城”号上的战斗机周旋的时候，他把轰炸机分成两部分，从这艘战船的两头发动了进攻，飞机飞行的高度很低。他发射了自己飞机上的鱼雷，但是接下来他的飞机撞上了航母并且爆炸了。“约克城”号航母突然向左侧倾斜，朝永振一郎发射的鱼雷没有击中。但是他的行动导致了航母毁灭历程的开始。几分钟之后，两枚鱼雷高速冲进了“约克城”号的船身。燃油从被炸破的油舱中蜂拥而出，海面上立刻覆盖了一层石油，航空母舰的动力装置再次中断，船身也倾斜了17度。
下午3时，伊利奥特舰长发出命令：放弃战船。然后他在漆黑的船舱底部察看了一番，确认除了他之外没有别的生物还留在战船上，随后他非常满意地跳下大海游向了一艘经过的轮船。
在3个小时内，美军的飞机不断寻找南云剩下的一艘航空母舰。在“约克城”号航空母舰遭受致命打击的几分钟之前，从它飞向西边的侦察机上发回来一个消息：10艘敌人的战舰正在向北航行，中间有1艘航空母舰。
大约在下午3时30分，24架战机--斯普鲁恩斯能够集中的所有飞机，包括10架从“约克城”号撤退过来的俯冲式轰炸机--从“企业”号上快速起飞。1个半小时之后，这次飞行的指挥官厄尔·加拉格尔上尉发现了一个可疑的情况，立即盘旋着准备进攻这支向西方逃跑的日军舰队。
正当加拉格尔的战斗机呼啸着飞向“飞龙”号的时候，南云舰队里正在巡航保护他们最后一块飞行甲板的最后的一批“零”式战斗机，立刻飞过来拦截它们。他们击落了三架美军轰炸机，其余的飞机也被打上了很多窟窿，攻击者被打得晕头转向，以至于不知道如何向航空母舰发动进攻。
但是，仍然有4枚巨型炸弹击中了目标。“飞龙”号上的飞机被炸毁。飞行甲板上的第三节变成了一片火海。在长达7个多小时的时间里，航空母舰上的船员们在尽力挽救它。但是刚好在午夜之前，大火燃烧的热量引发了一次爆炸，炸毁了航母的内部设施。“飞龙”号倾斜超过了15度，加来止男船长被迫下令弃船。
在甲板上熊熊燃烧的火光中，山口多闻指挥官--曾经被认为最有可能超过山本五十六的一名优秀军官，在中途岛海战中指挥过两艘日军航空母舰--向即将离开被毁坏的“飞龙”号航母上的800余人说道：“我个人将全部承担‘飞龙’和‘苍龙’两艘航母损失的责任。”他告诉他们：“我将在船上呆到最后。”他把自己黑色的帽子递给副官留作纪念，向南云将军发电报表示歉意，然后喝干了一大口杯水作为道别。升起的太阳旗降了下来。军号奏起了日本的国歌。天皇的画像被虔诚地转移到附近的一艘驱逐舰上。当船员们离开这艘战船的时候，山口多闻向护航的驱逐舰发布了他的最后一个命令：“发射鱼雷击沉‘飞龙’号。”随着火光吞没了船桥，这位将军转向加来止男船长，平静地说道：“让我们一起欣赏这美丽的月景吧。”
这个时候，山本五十六仍然在西边几百英里之外的超级战舰“大和”号上，注视着他的伟大设想走向败亡。刚过中午，当听到南云4艘航空母舰中的3艘被摧毁的时候，山本五十六开始改组他的舰队，试图进行最后的一搏。
一连串的命令被发布下去。中途岛的攻击部队被撤出战斗。6艘战列舰，4艘重型航空母舰，还有一艘潜艇，行驶在开往中途岛的海面上。所有其他的战船--包括阿留申群岛的舰队都被命令去寻找歼灭美国的舰队。
但是太迟了。阿留申群岛的舰队至少要花一天的时间才能赶到。在6月5日凌晨3点之前，攻击舰队不可能赶到轰炸中途岛的射程之内。并且一旦太阳升起，美军的防空炮火就能够再次阻止山本五十六的战船登陆。
最后，山本五十六不得不面对着失败的现实。6月5日凌晨2时55分，他命令几百英里之外的所有战船向西撤退。“这个代价，”他自言自语道，“太高了。”他发给舰队的第一个命令是这样写的：“取消占领中途岛的命令。”
然而双方之间的战斗并没有结束。6月5日凌晨，美国的潜艇“河豚”号发现了一列撤退的日军战舰，日军战舰也发现了这艘潜艇。当他们展开攻击行动的时候，两艘巡洋舰“最上”号和“三隈”号发生了碰撞。第二天，斯普鲁恩斯的战机发现了被撞坏的日军战船，击沉了“最上”号，重创了“三隈”号，使后者在一年内不能展开有效的行动。
同一天，日军也发现了“约克城”号航空母舰，它正被一艘驱逐舰“哈曼”号拖走。日军微型潜艇上发射的鱼雷击沉了“哈曼”号，同时鱼雷也击中了“约克城”号航空母舰。第二天早上它沉没了。正如后来一位人士评论的那样：“它像一个疲倦了的巨人，已经觉察不到痛苦了。”
6月6日阿留申群岛上，日军海军部队占领了吉斯卡岛。第二天，日军陆军部队在阿图岛登陆。这两次登陆都没有遭遇到抵抗。日本侵略者们固守在这些被隔离的、毫无用处的据点上，一直到1943年中期，美军部队最终将他们赶出了这些岛屿。
中途岛上美军取得了大规模的胜利，这一事件应该被历史所铭记。这次战斗之后，日本海军再也没有恢复过来。山本五十六也没有再次展开大规模的侵犯行动。而他的国家，除了在中国之外也没有再进行新的征服行动；相反，不断增长的反抗侵略的力量已经开始逐步取得胜利。
6月7日，当深感沮丧和遭受屈辱的山本五十六率领他的舰队返航的时候，他仅仅能够对未来进行猜测了；但是现在的形势已经非常严峻。这次倒霉的冒险行动，使他损失了4艘航空母舰，1艘巡洋舰，322架战机，还有3500名日军飞行员的生命，包括第一轮攻击行动中100名无法降落的飞行员。美国军队损失了1艘航空母舰，1艘驱逐舰，150架飞机和307名飞行员。
日本人民并没有被告知他们这次遭受的惨痛失败；只有阿留申群岛的登陆者们在欢庆他们的胜利。在中途岛行动中受伤的人员被秘密送回国内。他们当中有渊田指挥官，6个月之前，他曾作为袭击珍珠港的英雄而受到国人的欢迎。
由于被扭伤了脚踝的缘故，渊田不得不呆在“赤城”号上，他被送到船上的医院里。当到达横须贺海军基地的时候，他后来写道：“直到天黑以后，街道上行人稀少，我才被送到岸上。我躺在担架上被送往医院，是从一个后门进去的。我的病房被完全隔离。不允许护士和士兵进来，我也不能够同外界联系。在自己的房间里我就像一个战俘一样被关押着。”
一些重要人物也透露了日本人在中途岛上的利害得失情况，其中有一个就是重光葵，其时他当上日本的外务省大臣后不久。重光葵简要地披露了这次战争的真实情况。他后来说道：在中途岛“美国人报了珍珠港的一箭之仇”。