6架“零”式战斗机猛扑过去进行阻击，击落了2架美国飞机。但是其余的美国飞机继续俯冲了下来。它们从耀眼的太阳方向钻出，呼啸着向日本航空母舰冲去。炸弹就落在舰旁，激起一柱柱水浪。最后，接连投下的4枚450公斤重磅炸弹，穿透飞行甲板，相继轰然爆炸。正当“飞龙”号上的水兵疯狂地同烈火搏斗的时候，由中途岛飞来的B-17“空中堡垒”轰炸机又出现在高高的天空。它们扔下的重磅炸弹，激起越来越多的水柱。接着，又有更多的“空中堡垒”，从遥远的夏威夷飞来助战。“飞龙”号从头到尾，都淹没在火海里。
1939年9月1日，德军向波兰发起了全面进攻。中途岛西北海面，成了一片火海。晚上7点15分，“苍龙”号带着718名已死或被困在舰内的日本官兵，包括那位把自己绑在舰桥上而拒不离开的舰长柳本大佐，慢慢地沉人海底。
“飞龙”和“赤城”两舰上的大火仍在猛烈地燃烧，无法控制。经过整夜的燃烧，6月5日黎明前，“赤城”号的舰长请求山本大将允许把该舰沉掉。山本热泪盈眶。多年前他曾在“赤城”号上当过舰长。他无可奈何地表示：“那就让驱逐舰向‘赤城’发射鱼雷吧。”有221名日本官兵随该舰沉没。
6月4日21点23分，海水大量涌入，“飞龙”号倾斜15口，随后完全失速。“飞龙”的舰长山口多闻将军，决定让驱逐舰“风云”号将“飞龙”炸沉。6月5日凌晨2点30分，山口把舰上人员召到甲板上，对着他的800名官兵说，“飞龙”、“苍龙”两艘航空母舰的沉没，由他一人负责。“我决心与舰共存亡。我命令你们全体离舰，继续为天皇效忠。”
“飞龙”号在这次最后的作战中，除自愿与舰共存亡的两位指挥官外，还有416名舰员丧生。
南云损失了四艘主力航空母舰后，美国的两支特混舰队除“约克城”遭创外，其余仍完好无损。他不得不对原来的作战计划予以重新考虑，最终无奈地下令舰队向北西撤退。
当南云的突击舰队正在同美军激战的时候，山本五十六乘坐的联合舰队旗舰“大和”号已东驶到中途岛西北800海里的地方。4点52分，太阳已经升起，但大雾依然没有散去，从“大和”号上仍看不到舰队的其他舰只。
“大和”号舰桥上，寂静无声。连丑剧烈的腹疼使山本五十六脸色蜡黄，额头上不停地冒着虚汗。他登上舰桥，望着大海上弥漫的浓雾，心中焦急万分。但是，他仍然极力地保持着一种非常镇静的表情。“大和”舰上的日本官兵们都在焦急地等待着南云突击舰队的消息。
10点50分，通信参谋和田雄四郎沉痛地把阿部海军少将发来的电报呈送给山本五十六。电报说：“遭敌舰载机和陆上飞机攻击，‘赤诚’号、‘加贺’号和‘苍龙’号起火。拟以‘飞龙’号与敌航空母舰交战，我们暂时北撤，重新集结兵力。”
南云的4艘航空母舰已有3艘显然失去了战斗力，只有“飞龙”号可以继续作战。山本和他的幕僚们对这一消息难以置信，“大和”舰上到处是目瞪口呆的官兵，山本则半天回不过神来。现在，只有一个办法也许能使整个作战计划不致立即全面垮台。那就是集中战场上的全部兵力，以数量上的优势压倒敌人。山本海军大将决定，立即用他的几艘战列舰去支援已遭严重打击的机动部队，并亲自指挥作战。
大雾再度降临，从“大和”号上又几乎看不见正在加油中的“长门”号和其他军舰了。尽管争取时间是极其重要的，但足足用了一个小时才把舰队集合起来开航。航向120°，加大油门，使航速达到了20节。在大雾中保持了这样的速度，不久就使各舰之间彼此都见不到了。这样危险的航行是平时航海人员所不能想像的。
12点20分，山本五十六向部队发出了如下命令：
各部队按下述命令行动并攻击中途岛地区之敌：
一、12点整，主力的位置是北纬35°08′，西经171°05′，航向120°，航速20节。
二、中途岛的攻略部队（近藤部队）派部分兵力保护输送船团并令其暂时撤往北西。
三、第二机动部队（角田部队）火速加入第一机动部队（南云部队）。
四、第二潜艇战队和第五潜艇战队在丙警戒线（西经168°，北纬26°到36°之间）上展开。
从这个命令中可以看出，山本五十六和他的幕僚并没有放弃歼灭美国水面部队和占领中途岛的希望。此时他们最关心的问题是中途岛的敌人还有多少航空兵力，因为这是制定下一步作战计划时必须加以认真考虑的。虽然日本的3艘航空母舰都失去了战斗力，但“飞龙”号还完好无损，可以用它来攻击敌航空母舰。此外，还可进行水面夜战，或者采取别的攻击手段。山本担心，如果不立即摧毁中途岛的航空基地，美国人可能从夏威夷调去更多的飞机，这样的话，占领中途岛就更难了。
黑岛因此建议，派一支水上部队夜里去炮轰中途岛。山本五十六立即采纳了这个建议，命令离中途岛最近并有高速军舰的近藤攻略部队主力去执行这一任务。山本还决定，把原定的中途岛和阿留申群岛的登陆作战推迟到歼灭敌航空母舰部队以后。
按照这些决定，山本再次发出命令：
一、使用“攻击敌舰队C法”。
二、中途岛攻略部队司令长官派部分兵力于今夜炮击并摧毁中途岛的陆上航空基地。
三、中途岛和阿留申登陆作战暂时推迟。
“攻击敌舰队C法”是指集中中途岛和阿留申方面的全部战斗力量，与敌舰队进行决战。在下达上述命令一个多小时以前，即11点50分，山本收到南云海军中将转移到“长良”号后发来的第一次来电，报告他的3艘航空母舰受到的破坏程度和打算用他尚存的兵力攻击敌舰队，然后北撤。14点30分过后不久，“大和”号又收到南云发给在阿留申以南巡航的角田少将第二机动部队的电报。电报说：
一、6月4日14点，第一机动部队和位置是北纬30°48′，西经178°31′。我拟向东，歼灭敌特混舰队后北上。
二、望第二机动部队速与我会合。
南云焦急地等待着角田少将的两艘航空母舰“龙骧”号和“隼鹰”号迅速南下支援，但15点30分收到的角田复电并不令人鼓舞，电报说：
“第二机动部队收回攻击荷兰港的飞机后，立即南下。6日晨，我部将在北纬44。40′，西经176。20′加油后南下，与第一机动部队会合。6月4日15点，我部位于荷兰港南西120海里处。”
这份电报清楚表明，在8日下午以前，不可能期待角田部队到达中途岛地区，参加战斗。
但是，日本人的倒霉事还没有完。17点55分，山本又收到南云海军中将拍来的一份令人惊愕的电报，“飞龙”号中弹起火。17点30分。南云仅存的一艘航空母舰失去了作战能力，日军进攻的前锋也就被彻底摧毁了。
但是，山本海军大将仍然决意要进行夜战。他知道必须有统一的指挥，因此命令近藤统率夜战部队。
“大和”号收到近藤于23点40分下达给夜战部队的命令。命令说：
一、攻略部队主力（近藤部队）于6月5日3点整到达北纬30°28′，西经178°35′地点。然后向东搜索敌人，以遂行夜战。
二、第一机动部队立即回航，参加夜战。
由于在拂晓前日本舰队没有接触到美舰队，因此山本及其部下寄唯一希望的夜战也就此泡汤。“大和”号旗舰上日本官兵们所抱的最后一线转机的火焰也就慢慢地熄灭了。此时，人人都感到败局已定，但没有一个人建议中止作战。相反地，他们都拼命想方设法要从失败中捞回一些东西，就像极力想抓住一根救命稻草的溺水者一样。
山本的参谋们提出了各种各样的方法。一位航空参谋建议，用“瑞凤”号（山本部队）和“凤翔”号（近藤部队）轻型航空母舰上那些数量不多的飞机，加上战列舰、巡洋舰上的全部水上飞机，凑成一支航空队，再去攻击敌舰队。他争辩说，这一攻击至少可以使敌航空母舰受到一些损失，削弱敌攻击力量，从而为日本的战列舰和巡洋舰兵力扭转战局提供更大的希望。一位枪炮参谋主张按照原定计划，由近藤部队的重巡洋舰对中途岛航空基地进行夜间炮轰的方针，加强行动。还有一位参谋乐观地认为，战列舰的高射炮火足以击退敌航空母舰对山本部队的攻击。