隻見“赤城”號中彈之後，火勢持續增強，已經喪失了擔任旗艦的指揮功能，南雲忠一被迫離艦。“赤城”號火勢不熄，但到黃昏仍未沉沒。
此外，“加賀”號承受4枚炸彈，艦橋上的人員，包括艦長，全被炸死。該艦的飛行部隊長，高久天城中校接管指揮權。火勢似乎已被控製，但是裝汽油的幾個大油箱卻在飛行甲板上爆炸，火焰蔓延到整個甲板。下午時分，高久下令棄艦。黃昏時分，“加賀”號內部傳出兩次猛烈爆炸，艦身裂開並迅速下沉。
而“蒼龍”號至少被3枚炸彈擊中，整個飛行甲板都被烈焰籠罩，甲板上堆置的彈藥被引爆，因此很難確切判斷究竟被幾枚炸彈擊中。中彈之後10分鍾內，“蒼龍”號的輪機停止運轉。下層艙間，隨之發生劇烈爆炸。艦長竭盡全力挽救，無奈大勢已去，隻得下令棄艦。但是艦長本人卻留在艦橋上與艦共存亡。傍晚時分，“蒼龍”號的艦尾先下沉，艦首高高聳立，一如當年泰坦尼克號下沉的姿勢，其艦身也突地“咋喀”一聲發生斷裂，然後又緩緩沉沒。
盡管此時南雲忠一的艦隊情況十分危急，但他仍未放棄轟炸美軍艦隊的計劃。隨著他一聲令下，又有18架俯衝轟炸機由6架零式飛機護航飛向美艦的位置。但早有防備的美軍依靠雷達的幫助，在80公裏外即知日機來襲，並緊急起飛戰鬥機迎擊日軍。日軍18架俯衝轟炸機以“約克城”號為目標，隻有5架通過火網，3枚炸彈命中。一枚甚至由煙囪鑽入機房，“約克城”號一時陷入迷亂之中。
就在“約克城”號挨炸的時候，“蒼龍”號的偵察機回到日本艦隊上空。但此時“蒼龍”號已經是一片火海，飛行員隻得降在“飛龍”號上，並向山口報告，美軍一共有“約克城”、“大黃蜂”及“企業”號三艘航母。山口大吃一驚，即使他剛才派出的攻擊波是成功的，美軍仍有2比1的優勢。他立刻把艦上剩餘的10架魚雷機和6架戰鬥機全部派出。第二批日機在途中隻遇到第一批僅存的5架生還者，它們又一起再度向美艦發起攻擊。但誰想到“約克城”號在兩小時之內就修複大部分損傷，因此，“飛龍”號的第2批攻擊兵力再度找到“約克城”號的時候，因為雷達的預警，美軍已有準備。結果，日軍損失慘重，僅命中兩枚魚雷。2小時後，僅剩的5架魚雷機與3架戰鬥機回到“飛龍”號，因為沒有認清兩次都攻擊同一艘航母，山口相信他和美軍已經扯平到1艘對1艘的狀況。
終於，在下午4時之前，美國一架偵察機發現了“飛龍”號的位置。於是美軍起飛40架俯衝轟炸機前往攻擊“飛龍”號。在俯衝之後，他們命中4枚炸彈，“飛龍”號立刻成為一片火海，隨後的美機紛紛轉移目標去轟炸其他日艦。經過好幾小時的焚燒，不久，隨伴的美軍驅逐艦發射兩枚魚雷命中“飛龍”號，但“飛龍”號一直漂浮到6月5日8時20分左右才沉下去，生還者被美艦救起，成為美軍的俘虜。
不久，山本大將收到南雲的“赤誠”號等起火的電報後，便惱羞成怒地命令主力艦隊高速向海戰現場逼近，企圖倚仗其艦眾炮巨與美太平洋艦隊決戰，以挽回麵子。但當急駛中的日本艦隊漸漸為夜幕籠罩時，氣急敗壞的山本大將逐漸冷靜下來，理智告訴他，如果沒有空中掩護，天亮之後，珍珠港的悲劇將再現，隻不過被摧毀的將是日本戰艦。6月5日淩晨，麵色鐵青的山本痛苦地下令：“撤消中途島作戰計劃。”
但中途島海戰的最後一幕是“約克城”號航空母艦的沉沒。6月6日天亮後不久，一艘日本潛艇偷偷地靠近正被拖曳著向珍珠港駛去的“約克城”號。日潛艇發射魚雷後，行動艱難的“約克城”號根本無法躲閃，身中兩枚魚雷，不久便緩緩沉沒，為中途島大海戰獻上最後一份祭品。
在這場血淋淋的中途島海戰中，美軍以損失1艘航空母艦、1艘驅逐艦和147架飛機的代價，擊沉了日軍4艘航空母艦、1艘重巡洋艦，並使其損失了332架飛機和幾百名技術高超、經驗豐富、身經百戰的飛行員、機務人員。這是自中俄甲午海戰後，一直橫行西太平洋的日本海軍的第一次慘敗。日軍從此喪失了在太平洋上的優勢。日美雙方在太平洋戰場的戰略攻防從此開始轉換，日本開始走下坡路了！