中途島海戰最激烈之時，淵田美津雄向會議室跑去，他被眼前的場景驚呆了，士兵們抬著一個個傷員進入會議室，而沒有送到病房。他前去詢問，得知根本送不過去。
「整個航母都著火了，根本過不去，」一位醫護兵說道。
這個消息簡直晴天霹靂。幾小時前，他離開同病房的31個病員，獨自一人登上甲板。他本想回去拿點隨身物品，卻被大火阻斷回不去。
一眼望去，淵田美津雄看到「加賀」號和「蒼龍」號都燃起了熊熊大火，處境危急。只有「飛龍」號安然無恙，在其他3艘航母前面開路。4枚1000磅的炸彈擊中「加賀」號後，它已經在劫難逃。「約克城」號的飛機投下3枚1000磅炸彈擊中「蒼龍」號，不偏不倚地穿過飛行甲板進入機庫。緊接著，日軍飛機一架接一架起火燃燒，拆卸下來的炸彈也一個接一個爆炸。整個過程只持續了短短4分鐘。
在混亂之中，喬治·格雷目睹了整個過程，他是「大黃蜂」號航母上的第8「破壞者」艦載機中隊中的唯一倖存者。30小時後，他才被中途島基地的飛機救上岸。他後來描述日軍航母「燒得像噴燈一樣」。
在此形勢下，南雲不得不下令放棄「赤城」號航母，他本想與自己的旗艦一同沉入海底，卻被身邊人勸阻，提醒他現在的真正任務是繼續指揮戰鬥。於是，南雲把旗艦轉移到輕型巡洋艦「長良」號上。但是，當淵田美津雄從航母上往該艘輕巡洋艦上跳時摔斷了雙腿，不得不在該艦的病房裡養傷。
日本艦隊遭受的損失簡直超乎日本人的想像，但他們依舊自信能夠拿下中途島，就連反對此次行動的淵田美津雄也從未懷疑過，他深信只要找到美國太平洋艦隊，就能將其一舉殲滅。
海軍少將山口多聞下令立刻向「約克城」號發起攻擊，日軍飛機在11時從「飛龍」號航母上起飛。只有8架「九九」式艦載轟炸機成功突破「約克城」號的護航戰鬥機群，穿過密集的高射炮火，向「約克城」號擲下3枚500磅的炸彈。其中，第一枚在停滿飛機的飛行甲板上爆炸，甲板頓時陷入火海；第二枚擊中煙囪，撲滅了5臺鍋爐中的煤火，只剩下一臺鍋爐沒有熄火；第三枚徑直穿過飛行甲板以及另外三道甲板，擊中飛機燃油罐。不過，在美軍消防人員的努力下，火勢及時得到控制，燃油罐被乾粉撲滅，彈藥庫也加強了防範。看起來，「約克城」號暫時倖存下來。
午飯後，山口多聞命令剩餘飛機對「約克城」號發動第二波攻擊，並派友永丈市帶上10架「九七」式攻擊機和6架「零」式戰鬥機加入行動。友永上尉曾經指揮第一次中途島空襲行動，在第一次攻擊「約克城」號後只有少數飛行員返回「飛龍」號，他就是其中之一。這一次，「約克城」號又將面臨戰鬥。不過，在發現日機後，由於美艦的燃油即將耗盡，只有9架F4F「潑婦」戰鬥機可以升空作戰，而且燃料隨時可能用完。
「每架飛機只剩下40加侖的燃油，」海軍上尉亞當斯（後來晉升上校）在英國廣播公司拍的紀錄片《海上飛行員》中回憶，「我、約翰·薩奇海軍上尉（之後晉升為將軍）以及另外4個人開著飛機……艦上所有火炮全部開火。我清楚地記得飛機起飛後，我開始裝上彈藥，瞄準敵人的魚雷轟炸機開炮，確實打中了一架，也可能是兩架。」
總共打下來5架魚雷轟炸機，但其中4架落在了負傷的「約克城」號之上。在激烈的戰鬥中，「約克城」號先是躲過了2條魚雷，卻被另外兩條擊中左舷，緊接著又被3枚炸彈擊中。亞當斯見此狀況知道不能再降回「約克城」號上，於是選擇在40英裡開外的「企業」號航母上降落，這時候，機上的燃料已所剩無幾。隨後，「約克城」號的艦長下達了棄艦命令。當友永丈市向山口多聞匯報已擊沉「約克城」號時，山口臆測美軍另一艘航母肯定也被擊中，太平洋上已經沒有美軍航母了。
「飛龍」號航母準備再次向美軍發動攻擊，其艦載飛機還沒有起飛，就被「企業」號和「大黃蜂」號航母上的「無畏」俯衝轟炸機找到，在它試圖逃跑時被至少4枚炸彈命中，還有4枚擦肩而過。日軍飛機再次著火，烈火淹沒了整個飛行甲板，一直燒到機庫。
黃昏時分，「蒼龍」號航母也被擊中，隨後失火爆炸。15分鐘後，「加賀」號航母的彈藥庫失火，隨即發生爆炸。當晚，只有「赤城」號倖存下來，破曉時分卻被己方驅逐艦的魚雷擊沉。但是，像「飛龍」號經過一番搶救後，仍然浮在水面上，最終被B-17「堡壘」轟炸機擊中，上午9時許沉沒，該艦艦長和山口多聞當時就在這艘航母上。
得知損失4艘航母后，山本五十六放棄了登陸中途島的打算，下令日軍艦隊向西撤退。斯普魯恩斯下令「企業」號和「大黃蜂」號航母追擊日軍，希望能夠擊沉日軍剩餘的7艘戰艦。6月6日，「三隈」號和「最上」號重巡洋艦相撞，受傷嚴重並掉了隊。中途島上的美國陸空軍飛機襲擊了這兩艘巡洋艦，但效果不佳。隨後，美軍出動艦載機又對上述兩艘巡洋艦發起攻擊，擊沉了「三隈」號，重挫了「最上」號以及兩艘驅逐艦。
與此同時，美軍也在極力挽救「約克城」號，並派出一艘驅逐艦護航。但是，到了6月7日，「約克城」號被日軍潛艇I-168號發現，該艘航母遭到魚雷致命攻擊，護航的驅逐艦也被擊沉。
對於美國人而言，此前的珊瑚海海戰只是一次險勝，日軍取得了戰術勝利，美軍贏得了戰略勝利。毫無疑問，如今的中途島海戰對美國海軍則是全面勝利，他們僅僅損失了1艘航母，日軍卻損失了4艘航母、1艘巡洋艦和250架飛機，更重要的是還葬送了大約3500名軍人，其中大多數都是經驗豐富的飛行員和老兵。在如此艱苦的條件下，新訓練的兵員根本無法替代老兵們的位置。
在中途島戰役中，也許美國人並沒有打贏這場仗，但日本人卻再也沒有機會打贏任何一場仗，因為局勢已變。日軍已經失去了先前的先發制人優勢，也失去了軍力優勢。日軍在開戰之初的一二十天裡迅速向太平洋擴張、向西挺進東南亞的神話已經成為歷史。日軍由攻勢轉入守勢用了6個月的時間。
金後來寫道：「中途島海戰是350年來日本海軍的第一次慘敗。更重要的是，它結束了日本長期以來的侵略行為，使太平洋上的海軍力量重新恢復平衡。夏威夷和太平洋西海岸的威脅隨之解除。除了阿留申群島的吉斯卡島和阿圖島上有日軍外，敵軍勢力已被限制在南太平洋地區。但接下來，我們也將給予這一地區強有力的打擊。」
中途島戰役勝利後的第一天，即6月7日，日軍在西伯利亞和阿拉斯加中間的阿留申群島登陸。正如金上將推測的那樣，這不過是場花拳繡腿，改變不了太平洋戰爭的局勢，只會白白浪費人力和物力。如果日本人真想佔領阿拉斯加，這一行動還有意義，但是他們根本沒有這一打算。
有了中途島海戰的經驗，美軍參戰和沒有參戰的指揮官們都意識到日軍很可能最終慘敗。美國人在珍珠港事件中所受的巨大創傷正在癒合，日本人受到了應得的懲罰。不過，這一切僅僅只是開始。