此時，日本航空母艦編隊正處於極易受攻擊的境地，甲板上到處是魚雷、炸彈及剛加好油的飛機，而且保護航空母艦的戰鬥機正在低空四處追殺美軍魚雷機。“企業”號的33架“無畏”式俯衝轟炸機，分成2個中隊分別攻擊“赤城”號和“加賀”號航空母艦，而“約克城”號的17架“無畏”式俯衝轟炸機則專門攻擊“蒼龍”號航空母艦。日軍的3艘航空母艦刹那間就變成了三團火球，堆放在甲板上等待起飛的飛機以及燃料和彈藥引起大爆炸，火光直衝雲霄，短短的5分鍾，日本3艘航空母艦被徹底炸毀。
昔日威風八麵的南雲艦隊隻剩下“飛龍”號航空母艦獨撐危局了。在該艦上指揮的第二航空戰隊司令官山口多聞少將在接替了南雲的空中作戰指揮權後，毫不猶豫地決定實施對美軍航空母艦的報複，18架由“九九”式俯衝轟炸機和6架“零”式戰鬥機組成的攻擊編隊從“飛龍”號航空母艦起飛。在飛向目標途中，他們發現了一批正在返航的美軍轟炸機，便悄悄地尾隨，就這樣，日本飛機成功地找到了“約克城”號，並立即發動攻擊，3顆炸彈命中“約克城”號。雖然“約克城”號遭到破壞，但是在美軍船員的極力搶修下，很快便恢複了航行能力。隨後不久，10架日軍“九七”式魚雷攻擊機和6架“零”式戰鬥機又從“飛龍”號飛來，對受傷的“約克城”號發起了第二次攻擊。“約克城”號這次就沒那麼幸運，被兩枚魚雷擊中，左舷附近掀開兩個大洞，並把艦舵給軋住了。弗萊徹少將被迫轉移到巡洋艦，將指揮權移交給斯普魯恩斯少將。
14時45分，美軍偵察機發現日軍“飛龍“號航空母艦，斯普魯恩斯立即命令“企業”號、“大黃蜂”號航空母艦的30架“無畏”式俯衝轟炸機起飛，去攻擊“飛龍”號。“飛龍”號當即被命中4彈，船上一片火海，無法挽救的“飛龍”號航空母艦被日軍驅逐艦發射的魚雷擊沉。“飛龍”號的沉沒，標誌著顯赫一時的南雲主力艦隊的徹底覆沒。
就在南雲艦隊遭到滅頂之災時，山本五十六親率的日本海軍主力艦隊正在南雲後麵的450海裏處迎風行駛。6月4日上午10時50分，山本收到了南雲從“長良”號巡洋艦發來的電報：“我‘加賀’、‘蒼龍’和‘赤城’號遭敵機群攻擊，已中彈起火。餘下艦隻正暫時北撤，重整旗鼓。”不幸的消息傳來，使山本及其幕僚們大驚失色。為了挽回敗局，山本下令集中中途島和阿留申方向的全部兵力，與美國艦隊進行決戰，同時令軍艦高速前進，趁黑夜占領中途島。然而，當山本得知“飛龍”號中彈沉沒的消息後，這才意識到大勢已去。6月5日淩晨2時55分，山本痛苦地向全艦隊發出了承認失敗的電文：“取消中途島的占領行動。”
6月5日天亮，美軍飛機一波又一波地轟炸負傷的日軍巡洋艦“三隈”號和“最上”號。“三隈”號葬身海底，而重傷的“最上”號反而逃過大難，掙紮著回到特魯克的基地。攻擊結束以後，美軍特混艦隊隨即撤離戰場。13時，日軍I－168號潛艇發現了奄奄一息的“約克城”號，隨即發射4枚魚雷，其中的2枚命中了“約克城”號，1枚命中了護航的“哈曼”號驅逐艦，不久後兩艦相繼沉沒。
至此，規模空前的中途島海戰宣告結束。
太平洋戰場的轉折
中途島海戰是一次決定性的戰役，此次海戰最顯著的特點是雙方海上戰鬥編隊在艦炮射程之外，以航母航空兵實施突襲。中途島戰役中，美軍隻損失1艘航空母艦、1艘驅逐艦和147架飛機，而日本卻損失了4艘航空母艦、1艘巡洋艦、330架飛機，以及幾百名經驗豐富的飛行員和幾千名艦員。最為重要的是，日軍喪失了在太平洋戰爭初期所擁有的海空控製權。從此以後，日軍被迫停止了在戰略上的全麵進攻，轉而采取守勢，太平洋戰爭開始出現轉折，日本海軍從此走向了失敗。為了掩蓋自己的慘敗，避免挫傷部隊的士氣，6月10日日本電台播放了響亮的海軍曲，並宣稱日本已“成為太平洋上的最強國”。當慘敗的艦隊疲憊不堪地回到駐地時，東京竟舉行燈籠遊行以慶祝勝利。美國海軍首腦事後評價道：“中途島戰鬥是日本海軍350年以來的第一次決定性的敗仗，它結束了日本的長期攻勢，恢複了太平洋海軍力量的均勢。”
中途島海戰也給日軍高層造成了無法愈合的創傷，從中途島戰役以後直到第二次世界大戰結束，這一痛苦的回憶使他們再也無法對戰局作出正確的判斷。日軍失敗的原因是過高估計己方航空母艦的戰鬥力，同時在兩個戰役方向作戰，兵力分散，情況判斷錯誤，認為美國航空母艦來不及向戰區集結。而且日本海軍通信技術落後，缺乏周密的海上偵察，直至關鍵時刻也未查明美國航空母艦的位置。美軍獲勝的原因是掌握日軍進攻企圖，及時集結兵力待機，在魚雷機大部分損失的情況下，轟炸機連續俯衝轟炸，導致日軍魚雷機連機帶雷爆炸，航空母艦被徹底摧毀。雖然中途島海戰過後，日本海軍認識到了自己的戰術錯誤，但後悔藥的價錢似乎過於昂貴了些。