幾秒鍾之後，美軍“約克城”號的俯衝轟炸機迅速結果了日軍航空母艦“蒼龍”號。同時，在“企業”號艦載機起飛後一個多小時才起飛的18架“無畏式”飛機，抄近道趕到日軍艦隊上空發起攻擊，幾分鍾的快速襲擊使日軍的防衛陷於癱瘓。而“約克城”號的“無畏式”飛機沒有一架受損。此役，美國海軍以47架飛機的代價，消滅了日本帝國海軍這支精銳的航空母艦突擊艦隊的3/4的力量。
遭襲後，“蒼龍”號的火勢已經變得不可控製了，在襲擊結束之後不到20分鍾，這艘航空母艦就被首先下令放棄。800名官兵沉到海底。
南雲的旗艦“赤城”號也傷痕累累，它設法繼續航行了20分鍾後，動力越來越弱。10時47分，南雲聽從勸告，不顧體麵地從艦橋的一個窗口順著繩子爬了下去。最後一個爬下來的是淵田，他發現繩子已經燒著了，鐵梯子燙手，他隻好往下跳，結果摔壞了雙腳。他躺在竹擔架上，和幾百名受傷的官兵一起，從甲板上轉移到等候著的驅逐艦上。
當南雲在上午11時之前將他的指揮旗轉移到“長良”號驅逐艦上的時候，他還有完整的“飛龍”號以及兩艘戰列艦、3艘巡洋艦和12艘驅逐艦供他指揮。這使他有了反擊美國特遣艦隊的戰鬥機會。
6月4日正午前，“約克城”號的雷達發現“飛龍”號的俯衝轟炸機從西邊飛來，相距它們還有約50英裏。“約克城”號的戰鬥機駕駛員吸取了以前海戰的教訓，設法搶占了高度，在敵機發動進攻之前就擊落了3架護航的“零式”戰鬥機和6架轟炸機。“約克城”號航空母艦上的槍炮手擊落了另外兩架還沒有來得及投彈的“九九式”轟炸機。在垂直落下的6顆炮彈中，隻有3顆擊中目標。有一架飛機沒有收住俯衝而炸毀了，一顆炸彈在飛行甲板上爆炸，引起了火災。但這場大火不到一個小時就被製止。巴克邁斯特艦長仍讓他的航空母艦以每小時20海裏的速度行進。
接連的失敗激怒了“飛龍”號上老資格的飛行員友永海軍上尉，他堅持要用僅餘的幾架飛機出戰，盡管他自己的飛機的油箱壞了，飛去就意味著飛不回來。
一小時後，友永率“九七式”魚雷飛機分頭向美軍進攻，在桅頂的高度上，從四麵八方向“約克城”號撲去。替這艘航空母艦護航的4艘重型巡洋艦采用了新戰術：用重炮向前方海域發射炮彈，掀起一堵水牆。可是日本飛行員衝過了水牆，在離“約克城”號艦首不到500碼的地方投下“長矛式”魚雷。
兩顆魚雷擊中了“約克城”號左舷，在油箱附近的艦殼上掀開兩個大洞，艦舵被軋住了。大量海水從洞口湧入，“約克城”號發生令人擔憂的傾斜。不一會兒，搶險隊報告：他們解決不了海水滔滔不絕流進來的問題，因為臨時修補遠遠不能把水堵住。
巴克邁斯特估計母艦很快就要傾覆，在下午3時前不久下令放棄。後來證明巴克邁斯特做出放棄艦隻的決定為時過早。就在他做出這個決定的時候，一小時之前起飛的10架“無畏式”飛機偵察小分隊，在下午2時45分左右到達南雲艦隊剩下的那艘航空母艦的上空。這就是“飛龍”號。第16特遣隊收到這個消息後，斯普魯恩斯在3時30分將“企業”號調頭迎風，出動另一批空襲力量，共24架俯衝轟炸機，包括“約克城”號上的10架“無畏式”飛機。這時，日軍“飛龍”號上饑餓的飛行員們則在吃著甜米團子。當瞭望員大喊著“敵人的俯衝轟炸機來了”的時候，還沒等司號員吹起警號，“無畏式”轟炸機就從晚霞中直撲過來。“飛龍”號立刻起了大火。幾分鍾後，襲擊停止了。除損失3架轟炸機以外，所有的“無畏式”轟炸機均平安返回。“企業”號報告了他們在一天之內擊沉了兩艘航空母艦的輝煌戰績。
日本參謀部的成員緊閉著嘴巴，圍著海圖磋商了一個多小時，核查剩下的海軍部隊的部署。角田覺治海軍少將率領的兩艘航空母艦和一批重型巡洋艦，對荷蘭港進行了第二次空襲後，正從北太平洋火速南下。近藤海軍中將率領的1艘輕型航空母艦、2艘戰列艦和4艘重型巡洋艦正從西麵駛向中途島；栗田海軍中將率領的 4艘重型巡洋艦和3艘水上飛機供應船從西北麵全速駛往該島。斷後的是主力部隊——巨型戰列艦“大和”號、2艘較小的戰列艦和1艘輕型航空母艦。如果這幾支可怕的力量能夠同南雲剩下的2艘戰列艦和3艘巡洋艦會合，仍將有希望贏得一場“海上決戰”。為了集合分散的艦隊，山本當晚發出樂觀的信號：“敵人艦隊幾乎被消滅，正往東撤退。”並下令按計劃在第二天占領中途島。