8時30分，空襲中途島的第一攻擊波機群返航飛抵日本艦隊的上空。還有那些保護航空母艦的戰鬥機也需要降落加油。南雲處於進退維穀的境地。第二航空母艦戰隊司令山口海軍少將向南雲建議“立即命令攻擊部隊起飛”。第二批突擊飛機換裝魚雷還沒有完成，如果馬上發動進攻，也沒有戰鬥機護航。而且艦上的跑道被起飛的飛機占用，那麽油箱空空的第一攻擊波機群會掉進海裏。南雲決定把攻擊時間推遲，首先收回空襲中途島和攔截美軍轟炸機的飛機，然後重新組織部隊以進攻美軍特混艦隊。
8時37分，返航的飛機開始相繼降落在四艘航空母艦飛行甲板上。
9時18分，全部飛機的作業完畢。南雲命令艦隊以30節的航速向北航行，以避開再來攻擊的美機，準備全力進攻美軍特混艦隊。
9時20分，掩護日本艦隊的戰鬥機開始起飛。
9時25分，一隊由大黃蜂號起飛的15架“復仇者”式魚雷轟炸機組成的編隊發現了南雲艦隊。不幸的是，他們的燃油即將耗盡，而且沒有戰鬥機護航。在自殺式攻擊中，被零式戰鬥機和高射炮火全部擊落，30名飛行員除1人生還外全部遇難。
9時30分，從企業號、約克鎮號起飛的28架美軍戰機陸續尾隨而來，向蒼龍號和飛龍號展開攻擊。然而在攻擊南雲艦隊的時候遭到重創，損失了20架魚雷轟炸機，美機所投魚雷竟無一命中。
中途島10時20分，由102架飛機組成的日軍艦載機攻擊隊此時也已排列就緒。正當日軍戰鬥機在低空忙著驅趕美軍魚雷機時，南雲艦隊的上空出現了33架由克拉倫斯?麥克拉斯基少校率領從企業號起飛的無畏式俯衝轟炸機。此時，日艦正在掉頭轉到迎風的方向，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。這正是美軍求之不得的有利時機。
10時24分，第一架日本戰鬥機飛離飛行甲板時。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航空母艦和加賀號航空母艦，接踵而來的是17架從約克鎮號航空母艦上起飛的“無畏”式俯衝轟炸機則專門攻擊蒼龍號航空母艦。日軍的3艘航空母艦剎那間變成了三團火球，堆放在甲板上的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，日本三艘航空母艦被徹底炸毀了。
10時40分，接替指揮空中作戰的日第2航空戰隊司令官山口多聞少將發動反擊，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。飛向目標途中，發現了一批正在返航的美軍轟炸機，便悄悄的尾隨。就因如此，日機成功的找到了約克城號，並立即發動攻擊。3顆炸彈命中約克城號，雖然遭到破壞，但是在美軍船員的極力搶修下，恢復了航行功能。
11點30分，南雲中將及其幕僚轉移到了長良號巡洋艦，開始集合殘餘的艦隊。
13時40分，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麽幸運，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。
15時00分，美軍約克城號的艦長巴克馬斯特被迫下令棄艦。然而，它卻並沒有沉沒，於是美軍又回到該艦上，試圖由拖船拖向珍珠港。
16時45分，美軍企業號航空母艦的俯衝轟炸機成功地攻擊了日軍剩下的飛龍號。飛龍號當即命中4彈，船上一片火海。山口司令官和艦長加來止男隨艦葬身大海。
中途島6月4日晚19時，已經被摧毀的日軍蒼龍號、加賀號航空母艦先後沉沒。
6月5日2時55分，日本聯合艦隊司令山本五十六大將否決了其首席參謀黑島大佐提出的集中全部艦隻在白天轟炸並登陸中途島的挽回敗局的方案，下令：“取消中途島的占領行動。”並表示“所有責任由我一個人來擔當，我回去向天皇陛下請罪。” 他把自己關進會客室，一連三天拒絕會見部下。6月5日夜間，日軍兩艘重巡洋艦最上號和三隈號在濃霧中轉向時互撞，最上號重創，三偎號留下陪伴左右。
3時50分，被摧毀的赤城號航空母艦被日軍驅逐艦發射的魚雷擊沉。
5時10分，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。
6月5日天亮，美軍飛機一波又一波的轟炸負傷的日軍巡洋艦三隈號、最上號。三偎號葬身海底，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00分，日軍i-168號潛艇發現了約克城號，隨即發射4條魚雷，2條命中約克城號，1條命中護航的哈曼號(dd-142 uss hammann)驅逐艦，兩艦相繼沉沒。
中途島之戰終於宣告結束。
戰役結果及意義
中途島戰役美軍隻損失一艘航空母艦、1艘驅逐艦和147架飛機，陣亡307人；而日本卻損失了4艘大型航空母艦、1艘巡洋艦、330架飛機，還有幾百名經驗豐富的飛行員和3700名艦員。日本海軍從此走向了失敗。為了掩護自己的慘敗，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，恢復了太平洋海軍力量的均勢”。同時，此戰還給日軍高層造成了難以癒合的創傷，這一痛苦的回憶直到二戰結束一直揮之不去，使他們再也無法對戰局做出清晰的判斷。
8時37分，返航的飛機開始相繼降落在四艘航空母艦飛行甲板上。
9時18分，全部飛機的作業完畢。南雲命令艦隊以30節的航速向北航行，以避開再來攻擊的美機，準備全力進攻美軍特混艦隊。
9時20分，掩護日本艦隊的戰鬥機開始起飛。
9時25分，一隊由大黃蜂號起飛的15架“復仇者”式魚雷轟炸機組成的編隊發現了南雲艦隊。不幸的是，他們的燃油即將耗盡，而且沒有戰鬥機護航。在自殺式攻擊中，被零式戰鬥機和高射炮火全部擊落，30名飛行員除1人生還外全部遇難。
9時30分，從企業號、約克鎮號起飛的28架美軍戰機陸續尾隨而來，向蒼龍號和飛龍號展開攻擊。然而在攻擊南雲艦隊的時候遭到重創，損失了20架魚雷轟炸機，美機所投魚雷竟無一命中。
中途島10時20分，由102架飛機組成的日軍艦載機攻擊隊此時也已排列就緒。正當日軍戰鬥機在低空忙著驅趕美軍魚雷機時，南雲艦隊的上空出現了33架由克拉倫斯?麥克拉斯基少校率領從企業號起飛的無畏式俯衝轟炸機。此時，日艦正在掉頭轉到迎風的方向，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。這正是美軍求之不得的有利時機。
10時24分，第一架日本戰鬥機飛離飛行甲板時。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航空母艦和加賀號航空母艦，接踵而來的是17架從約克鎮號航空母艦上起飛的“無畏”式俯衝轟炸機則專門攻擊蒼龍號航空母艦。日軍的3艘航空母艦剎那間變成了三團火球，堆放在甲板上的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，日本三艘航空母艦被徹底炸毀了。
10時40分，接替指揮空中作戰的日第2航空戰隊司令官山口多聞少將發動反擊，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。飛向目標途中，發現了一批正在返航的美軍轟炸機，便悄悄的尾隨。就因如此，日機成功的找到了約克城號，並立即發動攻擊。3顆炸彈命中約克城號，雖然遭到破壞，但是在美軍船員的極力搶修下，恢復了航行功能。
11點30分，南雲中將及其幕僚轉移到了長良號巡洋艦，開始集合殘餘的艦隊。
13時40分，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麽幸運，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。
15時00分，美軍約克城號的艦長巴克馬斯特被迫下令棄艦。然而，它卻並沒有沉沒，於是美軍又回到該艦上，試圖由拖船拖向珍珠港。
16時45分，美軍企業號航空母艦的俯衝轟炸機成功地攻擊了日軍剩下的飛龍號。飛龍號當即命中4彈，船上一片火海。山口司令官和艦長加來止男隨艦葬身大海。
中途島6月4日晚19時，已經被摧毀的日軍蒼龍號、加賀號航空母艦先後沉沒。
6月5日2時55分，日本聯合艦隊司令山本五十六大將否決了其首席參謀黑島大佐提出的集中全部艦隻在白天轟炸並登陸中途島的挽回敗局的方案，下令：“取消中途島的占領行動。”並表示“所有責任由我一個人來擔當，我回去向天皇陛下請罪。” 他把自己關進會客室，一連三天拒絕會見部下。6月5日夜間，日軍兩艘重巡洋艦最上號和三隈號在濃霧中轉向時互撞，最上號重創，三偎號留下陪伴左右。
3時50分，被摧毀的赤城號航空母艦被日軍驅逐艦發射的魚雷擊沉。
5時10分，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。
6月5日天亮，美軍飛機一波又一波的轟炸負傷的日軍巡洋艦三隈號、最上號。三偎號葬身海底，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00分，日軍i-168號潛艇發現了約克城號，隨即發射4條魚雷，2條命中約克城號，1條命中護航的哈曼號(dd-142 uss hammann)驅逐艦，兩艦相繼沉沒。
中途島之戰終於宣告結束。
戰役結果及意義
中途島戰役美軍隻損失一艘航空母艦、1艘驅逐艦和147架飛機，陣亡307人；而日本卻損失了4艘大型航空母艦、1艘巡洋艦、330架飛機，還有幾百名經驗豐富的飛行員和3700名艦員。日本海軍從此走向了失敗。為了掩護自己的慘敗，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，恢復了太平洋海軍力量的均勢”。同時，此戰還給日軍高層造成了難以癒合的創傷，這一痛苦的回憶直到二戰結束一直揮之不去，使他們再也無法對戰局做出清晰的判斷。