8时37分，返航的飞机开始相继开始降落在四艘航空母舰飞行甲板上。
8时40分，15海里以外的弗莱彻少将率领的第17特混编队的约克城号航空母舰上起飞了35架战机。
9时18分，全部飞机的作业完毕。南云命令舰队以30节的航速向东北航行，向美军特混舰队靠近，以避开再来攻击的中途岛方面美机，准备全力进攻美军特混舰队。
9时20分，掩护日本舰队的战斗机开始起飞。
9时25分，一队由大黄蜂号起飞的15架“复仇者”式鱼雷轰炸机组成的编队发现了南云舰队。不幸的是，他们的燃油即将耗尽，而且没有战斗机护航。由于沟通不畅，原本应该投入支援的VF-6没有接到求援命令而是按照原要求等待麦克拉斯基少校的编队。在自杀式攻击中，被零式战斗机和高射炮火全部击落，30名飞行员除乔治·H·盖伊生还外全部遇难。
9时30分，从企业号、约克城号起飞的28架美军战机陆续尾随而来，向苍龙号和飞龙号展开攻击。然而在攻击南云舰队的时候遭到重创，损失了20架鱼雷轰炸机，美机所投鱼雷竟全没有击中。指挥官林赛在这次战斗中阵亡。
9时37分，接到利根4号机30分时发送的电报：
“燃料不足，我要返航。”
阿部少将命令它再留在原地时，它说：
“我办不到。”
于是允许它返航。
10时00分，苍龙号的十三式侦察机按利根4号机报告的错误方位，没能找到美国航母。
10时10分，兰斯马塞少校的约克城第3俯冲轰炸机中队开始攻击飞龙号，掩护他的6架F4F的指挥官琼-萨奇少校第一次以他的“萨奇剪”战术面对15架零战，尽管战果可观，但是12架TBD中有10架被击落，剩下的最后也都在海上迫降了。射向飞龙号的5条鱼雷无一命中。
10时20分，由于美军的攻击，飞机甲板开始执行给护航的零式战斗机加油加弹作业，无法准备反击波。正当日军战斗机在低空忙着驱赶美军鱼雷机时，南云舰队的上空出现了33架由克拉伦斯·麦克拉斯基少校率领从企业号起飞的无畏式俯冲轰炸机。他们在即将放弃搜索的时候发现了为防止美军“鹦鹉螺号”潜艇上浮而留在原地的“岚”号驱逐舰，并延这艘驱逐舰航向找到了日军航母。此时，日舰正在掉头转到迎风的方向，在极易受攻击的境地，只停放着几架零式战斗机。
10时24分，第一架换班的防空日本战斗机飞离飞行甲板时，企业号的33架“无畏”式俯冲轰炸机，分成2个中队分别攻击赤城号航空母舰和加贺号航空母舰，由于率领VS-6中队的队长小麦克拉斯基少校是战斗机飞行员出身，不熟悉俯冲轰炸的程序——他应该带领先头编队攻击较远的那条航母而不是近处的，因此导致几乎全部轰炸机集火加贺号，率领VB-6的百思特上尉意识到还有一条航母没有被攻击，他极力呼叫才召回了两架飞机参与轰炸。他们完成了这场战役中最漂亮的轰炸：三枚1000磅炸弹中，第一枚和第三枚分别近失，而百思特投下的第二枚炸弹砸穿了赤城的飞行甲板并引爆了弹药，创造了一发炸弹击沉航母的战绩。随后赶来的17架从约克城号航空母舰上起飞的“无畏”式俯冲轰炸机，专门攻击苍龙号航空母舰。日军的3艘航空母舰刹那间变成了三团火球，堆放在甲板上的的飞机以及燃料和弹药引起大爆炸，火光直冲云霄，短短的5分钟，日本三艘航空母舰被彻底炸毁了。
10时40分，接替指挥空中作战的日第2航空战队司令官山口多闻少将发动反击，18架由“九九”式俯冲轰炸机和6架零式战斗机组成的攻击编队从飞龙号航空母舰起飞。飞向目标途中，发现了一批正在返航的美军轰炸机，便悄悄的尾随。就因如此，日机成功的找到了约克城号，并立即发动攻击。3颗炸弹命中约克城号，虽然遭到破坏，但是在美军船员的极力抢修下，恢复了航行功能。
11时30分，南云中将及幕僚转移到了长良号巡洋舰，开始集合残余的舰队。
13时40分，10架日军“九七”式鱼雷攻击机和6架“零”式战斗机又从飞龙号飞来，对受伤的约克城号发起了第二次攻击。日方由友永指挥。由于约克城号已被修好，日机飞行员误把它当成另一艘姊妹舰。约克城号这次就没那么幸运，被两枚鱼雷击中，左舷附近掀开两个大洞，并把舰舵给轧住了。弗莱彻少将被迫转移到巡洋舰，将指挥权移交给斯普鲁恩斯少将。
14时45分，美军侦察机发现日军飞龙号航空母舰，斯普鲁恩斯立即命令企业号、大黄蜂号航空母舰的30架“无畏”式俯冲轰炸机起飞，去攻击飞龙号。
15时00分，美军约克城号的舰长巴克马斯特被迫下令弃舰。然而，它却并没有沉没，于是美军又回到舰上，试图由拖船拖向珍珠港。
16时45分，美军企业号航空母舰的俯冲轰炸机成功地攻击了日军剩下的飞龙号。飞龙号当即命中4弹，船上一片火海。
19时13分，苍龙号与加贺号先后沉没。
20时30分，山本五十六命令伊168号潜艇在23时开始对AF的机场炮击，并通知说后面会有第七战队加入炮击。
22时50分，南云报告：“敌人还有航母4艘，我方航母全灭。”
1942年6月5日2时55分，日本联合舰队司令山本五十六大将否决了首席参谋黑岛大佐提出的集中全部舰只在白天轰炸并登陆中途岛的挽回败局的方案，下令：
“取消中途岛的占领行动。”
他神情木然，默默地说：”所有责任由我一个人来担当，我回去向天皇陛下请罪。”
他把自己关进会客室，一连三天拒绝会见部下。
3时50分，南云收到山本“击沉‘赤城号’”的命令。
5时00分，抢救失败的赤城号航空母舰被日军舞风号、萩风号、野分号和岚号驱逐舰发射的鱼雷击沉。
5时10分，无法挽救的飞龙号航空母舰被日军驱逐舰发射的鱼雷击沉。第二航空战队司令山口多闻和舰长加来止男选择与舰共沉，部分被大火困为船舱底部的船员从鱼雷击穿的洞口逃生获救。
此日，美军派出多波战机追击日军军舰，但都没有发现山本的主力舰队。
1942年6月6日3时45分，日军两艘重巡洋舰最上号和三隈号在浓雾中转向时互撞，最上号重创，三隈号及另两艘驱逐舰留下护航。
8时05分，中途岛起飞的12架陆战队轰炸机追击三隈号及最上号。三隈号遭到击沉，而重伤的最上号则最后逃过美军轰炸，返回特鲁克岛基地。美军接着试图追击早在数小时前沉没的飞龙号，不过只找到了谷风号驱逐舰。但是，双方并无任何战果。
13时00分，1942年6月7日13时00分，日军伊-168号潜艇发现了约克城号，随即发射4条鱼雷，2条命中约克城号，1条命中护航的哈曼号驱逐舰，哈曼号驱逐舰随即沉没，约克城号一直飘浮到第二天中午才沉入海底。
被攻击同时，美军其它6艘驱逐舰曾试图反击伊-168号，但伊-168号最终安全撤离。
中途岛之战宣告结束。