1942年6月4日17時3分，日本偵察機剛要起飛，瞭望哨就大聲喊道：「敵俯衝轟炸機！」面對呼嘯而下的美機，「飛龍」號高射炮紛紛開火，艦長加來止男大佐急令：「右滿舵！」「飛龍」號動作笨拙地向右猛轉，避開了投下來的頭三枚炸彈。
但是，更多的美機俯衝下來，接連有四枚炸彈命中艦橋附近，艦橋上的玻璃窗全被猛烈的爆炸震得粉碎，前部升降機附近的艙面甲板被炸得面目猙獰地朝上翻卷，完全擋住了指揮區的視線。大火在飛行甲板上裝好炸彈的飛機間蔓延、爆炸。巨大的黑色煙柱騰空而起，「飛龍」號的航速開始減低下來。
17時20分，「大黃蜂」號的艦載機也趕到了，見「飛龍」號已經燃起沖天大火，便轉而攻擊其他軍艦，「榛名」號戰列艦、「利根」號重巡洋艦、「築摩」號重巡洋艦先後遭到攻擊，但都未被擊中。
不久從中途島起飛的39架Ｂ－17轟炸機也飛來助戰，「飛龍」號再度中彈。21時23分，「飛龍」號完全喪失航行能力，逐漸傾斜。第十驅逐艦分隊司令阿部俊雄海軍大佐的旗艦「風雲號」靠在航母旁邊，協助滅火，並為艱苦奮戰的艦員提供食物和飲水，「夕雲號」驅逐艦則在旁警戒。
最後，眼看回天無力，山口通過「風雲」號驅逐艦向南雲報告，他已下令棄艦。6月5日2時30分，山口對集合在甲板上的大約八百名艦員最後訓話：「我身為航母戰隊司令官，對『飛龍號』和『蒼龍號』的損失負全部責任。我將與本艦共存亡，我命令你們全體離艦，繼續為天皇陛下效忠。」山口的參謀請求跟他一起留在艦上，但被山口堅決拒絕了。
遵照山口的最後指示，阿部海軍大佐下令「風雲」號和「夕雲」號驅逐艦擊沉「飛龍」號。5時10分，「風雲」號和「夕雲」號向「飛龍」號發射了魚雷，在一陣震耳欲聾的爆炸聲後，「飛龍」號緩緩下沉。直到8時20分左右「飛龍」號才沉沒。「飛龍」號共有416名艦員喪生。至此，空前規模的中途島海戰宣告結束。那為何在日本偷襲珍珠港勝利後卻在中途島戰敗呢？
中途島海戰是海軍史上成敗瞬息萬變的一戰，是美國海軍以少勝多的一個著名戰例。在這場海戰中，美軍共損失1艘航空母艦，1艘驅逐艦，147架飛機和307人。日軍共損失4艘大型航空母艦，1艘重巡洋艦，322架飛機和3500人，另有1艘重巡洋艦和2艘驅逐艦受重創。
但更嚴重的是日本海軍損失了2／3的大型航空母艦和幾百名熟練的艦載機飛行員。此戰使得日軍喪失了在太平洋戰爭初期所據有的海空控制權，從此，東京當局被迫停止了戰略上的全面進攻，放棄對斐濟、薩摩亞、新喀裡多尼亞等島的主攻作戰，改為以守勢為主的試探性進攻，太平洋戰爭開始出現轉折。這次勝利是美軍在太平洋戰爭中第一次取得決定性的勝利。中途島海戰不僅沉重地打擊了日本聯合艦隊，也為美國海上反攻贏得了時間。
美國著名海軍歷史學家塞繆爾·Ｅ，莫裡森教授把美軍在中途島海戰中的勝利稱之為「情報的勝利」。美軍提前發現日本的攻擊計劃，是日本失利的最主要的和直接的原因。這也反映出日本此次作戰保密係數不高，至少情報工作做得不好。
但是中途島海戰失利還有一個更加重要的原因，就是作戰計劃本身是錯誤的。雖然山本的計劃很詳細、周密，但該計劃有一個致命的缺點，那就是犯了分散兵力的兵家大忌，當時日軍在太平洋上佔有絕對優勢，只需集中全力進攻中途島，就可穩操勝券，卻反而把部隊分為幾個相距遙遠又難以及時相互支援的編隊，削弱了自己的優勢，分散了自己的兵力，為失敗埋下了伏筆。
這次日本對中途島作戰，有些驕傲。趾高氣揚的日軍自恃佔據優勢，作戰準備難免有幾分疏漏，特別是既沒有及時修復在珊瑚海海戰中負傷的「翔鶴」號航母，也沒有迅速為飛行員傷亡慘重的「瑞鶴」號航母補充飛行員，致使這兩艘航母無法參加中途島作戰。
如果這兩艘航母能參加作戰，那麼在中途島作戰方向，日軍航母在數量上就將佔有6∶3的絕對優勢，南雲就可以擁有足夠的力量遊刃有餘地應付美軍中途島岸基航空兵和航母艦載機的同時攻擊，極有可能改變戰役的最終結局。