俯衝轟炸機投下一枚接一枚炸彈，穿透“赤城”的飛行甲板，在艦體深處爆炸。艦上飛機及其炸彈和魚雷，接二連三連鎖爆炸，大火蔓延到胡亂堆放在甲板上的燃料和彈藥，再度引起大爆炸，把飛行甲板大塊大塊炸飛到空中。艦橋像在暴風雨中的樹梢那樣猛烈搖晃。幾秒鍾內，熾烈的大火從艙內騰起，四下蔓延，吞沒了飛行甲板上的飛機。船尾的舵機也失靈了。這艘幾分鍾前還威風凜凜的大型航空母艦，如今在大海上絕望地顛簸搖晃，把燃燒著的飛機從甲板上拋進沸騰的大海。火舌已經舔著艦橋上的玻璃窗。草鹿朝南雲喊道：“咱們得撤離啦！”但是南雲拒絕離開。成千加侖燃燒著的汽油流向下層甲板，放在機庫內的魚雷也開始爆炸了。一團團火球從艦身兩側噴射出來。南雲仍然不肯離開艦橋。
“赤城”號航空母艦艦長青木大二郎朝南雲喊道：“這艘艦由我負責，你和你的人員留在這裏毫無用處，請轉移到另一艘艦上去吧！”草鹿也勸南雲說：他是整個突擊艦隊的司令，而不是某一艘艦的艦長。當南雲被說服同意離開時，整個艦橋幾乎都被大火圍住了。“把玻璃打碎！”草鹿喊道。打碎玻璃後，他們垂下兩條繩子，草鹿先把南雲推出來，這位身材矮小的將軍滑了下去，落到比艦橋低十四米的飛行甲板上，草鹿跟在後麵。短短的六分鍾內，“赤城”號被徹底炸毀了。
就在麥克拉斯基少校率隊向南雲艦隊發動進攻時，從“約克城”號航空母艦上起飛的十七架俯衝轟炸機，由馬克斯韋爾·萊斯利少校率領，正飛行在距離日本艦隊東南方約十公裏。
萊斯利看見天際黑煙衝天，便朝西北方向飛去。透過雲層，他瞥見了“飛龍”和“蒼龍”號兩艘航空母艦。他立即下令全隊進攻，從四千五百米的高空向“蒼龍”號猛衝下去。
一顆四百五十公斤的炸彈首先擊中“蒼龍”號的飛行甲板，幾分鍾內，又有兩顆炸彈命中，“蒼龍”號很快就被大火吞沒了。它成了一座爆炸燃燒的地獄。最後，“蒼龍”號航母的艦長柳本柳作大佐不得不下令棄艦。
美國飛機的襲擊於十時三十分結束。前後短短的八分鍾，日本三艘大型航空母艦覆滅的命運，全都無可挽回地注定了。
南雲突擊艦隊現在隻剩下“飛龍”號一艘航空母艦了。日本反擊的最後希望，寄托在該艦艦長山口多聞少將身上。山口艦長告訴他們說：“你們已是突擊艦隊的最後一批飛行員了。”
這些飛行員們很難相信，幾分鍾之前，他們對美國艦隊的尋殲，還是勝券在握；可是轉眼之間，卻變成要同優勢之敵決一死戰，為已遭覆滅的三艘姊妹艦報仇。
上午十時四十分，十八架“九九”式俯衝轟炸機，在六架“零”式戰鬥機的護航下，從“飛龍”號航空母艦上起飛，前去搜索攻擊美國航空母艦。單靠他們自己本來是找不到的。是萊斯利少校率領的返航機群成了他們的向導。這些轟炸機無意中把敵機帶回了弗萊徹將軍的旗艦——“約克城”號航空母艦的上空。
在高空盤旋的十二架“野貓”式戰鬥機，居高臨下，衝入日本機群進行阻擊，一舉擊落敵機六架。其餘的日本轟炸機迅速向下低飛，進行俯衝轟炸。雖然有更多的敵機被炮火擊毀，但還是有三顆炸彈命中“約克城”號。炸彈在巨艦體內爆炸，美軍人員死傷無數。
當日本飛機消失之後，洋麵上一片沉寂，留下十三架“九九”式轟炸機和三架“零”式戰鬥機的殘骸。返航的日本機群立即向山口少將報告：命中“約克城”號，敵航空母艦爆炸起火。
但是靠著“約克城”號航空母艦上的船員員的奮力搶救，艦上的火勢被撲滅了，母艦不僅能低速航行，而且飛行甲板上的飛機還能繼續起飛。可是好景不長，不久，又有十架日本“九七”式魚雷攻擊機在六架“零”式戰鬥機的護航下，掠海飛來。這是從“飛龍”號上起飛的第二批突擊機群。他們把已經不再冒煙的“約克城”號當作了美軍其它的航空母艦，對它再度發起攻擊。日本飛機發射的魚雷，擊中了這艘大型航空母艦的右舷和中部，破壞了艦上的全部動力、照明和通訊設備。
“約克城”號劇烈地向左側傾斜搖晃，聽任風浪的擺布。艦長伊利奧特·巴克馬斯特上校盡可能地堅持，最後還是發出棄艦的命令。
這樣，美國方麵隻剩下斯普魯恩斯少將指揮的兩艘航空母艦了。
6月4日下午二時四十五分，一架美國偵察機發現，一支日本艦隊正在西麵行進。它們包括：兩艘戰列艦，三艘巡洋艦，四艘驅逐艦以及由這些戰艦護衛著的“飛龍”號航空母艦。
這一消息通過無線電傳到“企業”號航空母艦之後，斯普魯恩斯將軍便集結起所有還能作戰的飛機。二十四架“無畏”式俯衝轟炸機轟鳴著飛離“企業”號的甲板，向“飛龍”號奔襲而去。
下午五時，日軍艦隊了望哨驚呼：“敵人俯衝轟炸機！”六架“零”式戰鬥機猛撲過去進行阻擊，擊落了兩架美國飛機。但是其餘的美國飛機繼續俯衝了下來。它們從耀眼的太陽方向鑽出，呼嘯著向日本航空母艦衝去。炸彈就落在艦旁，激起一柱柱水浪。最後，接連投下的四枚四百五十公斤重磅炸彈，穿透飛行甲板，相繼轟然爆炸。
正當“飛龍”號上的水兵瘋狂地同滿船烈火搏鬥的時候，由中途島飛來的Ｂ－17“空中堡壘”轟炸機，又出現在高高的天空。它們扔下的重磅炸彈，激起越來越多的水柱。接著，又有更多的“空中堡壘”，從遙遠的夏威夷飛來助戰。“飛龍”號從頭到尾，都淹沒在火海裏。
中途島西北的海麵，成了燃燒的墳場。“蒼龍”號傾斜了。
“飛龍”和“赤城”兩艦上的大火仍在猛烈地燃燒，無法控製。經過整夜的燃燒，6月5日黎明前，“赤城”號的艦長請求山本大將允許把該艦沉掉。山本大將熱淚盈眶。多年前，他曾在“赤城”號上當過艦長。他無可奈何地表示：“那就讓驅逐艦向‘赤城’發射魚雷吧。”有二百二十一名日本官兵隨該艦沉沒。
六月四日二十一時二十三分，海水大量湧入，“飛龍”號傾斜十五度，隨後完全失速。“飛龍”的艦長山口多聞將軍，決定讓驅逐艦“鳳雲”號將“飛龍”炸沉。六月五日淩二時三十分，山口把艦上人員召到甲板上，對著他的八百名官兵說，“飛龍”、“蒼龍”兩艘航空母艦的沉沒，由他一人負責。“我決心與艦共存亡。我命令你們全體離艦，繼續為天皇效忠。”
山本大將的航空母艦遭到滅頂之災的時候，他正率領主力艦隊，在南雲艦隊後麵四百五十海裏的洋麵上破浪前進。六月四日上午十時三十分，“‘赤城’號著火”的電報猛然打破了山本的美夢。這位日本聯合艦隊總司令一言不發。對二十分鍾後送來的第二封電報，他也同樣保持沉默。這封電報是南雲中將打來的，說：“由於遭到中途島基地和敵人航空母艦飛機的襲擊，‘加賀’、‘蒼龍’和‘赤城’三艦全身起火。我們正向北撤退，並重新組織力量。”這份電報暗示，幸免遇難的“飛龍”號將進行反擊。
山本表麵上顯得很鎮定。他若無其事的與渡邊安次中佐下棋。後來再有消息傳來，他也隻是淡淡地說：“哦，是這樣。”直到收到首次報告的九十分鍾後，他才命令讓運輸艦後撤，而讓佯攻荷蘭港的兩艘輕型航空母艦繼續前進，開往中途島援助南雲。他自己的強大主力，仍然全速向東行駛。掩護運輸艦的近藤信作中將，則把他的艦隊，包括“瑞風”號航空母艦，從南改道向北。
這三支強大的增援力量，從三個方向朝中途島聚集。山本大將仍然要同美軍決一死戰。他的感情要求他率領全部艦隻繼續前進，將巨大的炮口對準中途島，對準美國軍艦，狠狠地報複。
現在夜幕已經降臨，他的主力艦隊正被迷霧團團圍住，但是他還是命令艦隊以二十節的速度冒險向前急駛。海麵蒙朧，能見度幾乎降到零，艦隻隨時都有碰撞的危險。山本的心裏並不平靜。他雖然率領著他的火力猛烈的大型戰列艦向戰場逼近，但他的內心已經無數遍地審時度勢。他不得不痛苦地暗自承認，這次戰役已告失敗。
他的四艘航空母艦全部毀滅，而美國人還有兩艘航空母艦，正在伺機進攻他的艦隊。中途島還遠未被征服。麵對這種情況，山本作為一個極為精明的海戰行家，心裏很清楚，他的戰列艦一旦遇到俯衝轟炸機和魚雷機的進攻，連招架的能力都沒有。珍珠港事件和英國“威爾士親王”號戰列艦在馬來亞洋麵的覆滅，都證實了這一點。
山本一度打算從阿留申群島調回兩艘小型航空母艦來中途島。但是濃霧在阿留申群島周圍滯留不散。那些戰艦要趕到中途島，至少要花三天時間。到那時，要挽回這場日本帝國海軍的災難，已為時太晚。
6月5日淩晨二時五十五分，日本聯合艦隊司令山本大將終於痛苦地下令：“取消中途島的占領行動。”他也需要一些謊言。他電告艦隊所有指揮官：“敵人艦隊幾乎已遭全軍覆沒，正在向東敗退……”這個彌天大謊，突出地顯示了他不敢公開承認失敗的苦衷。
他的將軍們問山本：“我們一敗至此，該如何向天皇陛下請罪呢？”山本鐵青著臉，說：“要向天皇陛下請罪的隻有我山本一個人。”
這場曆史上規模空前的海空大戰，到此宣告結束。