几秒钟之后，美军“约克城”号的俯冲轰炸机迅速结果了日军航空母舰“苍龙”号。同时，在“企业”号舰载机起飞后一个多小时才起飞的18架“无畏式”飞机，抄近道赶到日军舰队上空发起攻击，几分钟的快速袭击使日军的防卫陷于瘫痪。而“约克城”号的“无畏式”飞机没有一架受损。此役，美国海军以47架飞机的代价，消灭了日本帝国海军这支精锐的航空母舰突击舰队的3/4的力量。
遭袭后，“苍龙”号的火势已经变得不可控制了，在袭击结束之后不到20分钟，这艘航空母舰就被首先下令放弃。800名官兵沉到海底。
南云的旗舰“赤城”号也伤痕累累，它设法继续航行了20分钟后，动力越来越弱。10时47分，南云听从劝告，不顾体面地从舰桥的一个窗口顺着绳子爬了下去。最后一个爬下来的是渊田，他发现绳子已经烧着了，铁梯子烫手，他只好往下跳，结果摔坏了双脚。他躺在竹担架上，和几百名受伤的官兵一起，从甲板上转移到等候着的驱逐舰上。
当南云在上午11时之前将他的指挥旗转移到“长良”号驱逐舰上的时候，他还有完整的“飞龙”号以及两艘战列舰、3艘巡洋舰和12艘驱逐舰供他指挥。这使他有了反击美国特遣舰队的战斗机会。
6月4日正午前，“约克城”号的雷达发现“飞龙”号的俯冲轰炸机从西边飞来，相距它们还有约50英里。“约克城”号的战斗机驾驶员吸取了以前海战的教训，设法抢占了高度，在敌机发动进攻之前就击落了3架护航的“零式”战斗机和6架轰炸机。“约克城”号航空母舰上的枪炮手击落了另外两架还没有来得及投弹的“九九式”轰炸机。在垂直落下的6颗炮弹中，只有3颗击中目标。有一架飞机没有收住俯冲而炸毁了，一颗炸弹在飞行甲板上爆炸，引起了火灾。但这场大火不到一个小时就被制止。巴克迈斯特舰长仍让他的航空母舰以每小时20海里的速度行进。
接连的失败激怒了“飞龙”号上老资格的飞行员友永海军上尉，他坚持要用仅余的几架飞机出战，尽管他自己的飞机的油箱坏了，飞去就意味着飞不回来。
一小时后，友永率“九七式”鱼雷飞机分头向美军进攻，在桅顶的高度上，从四面八方向“约克城”号扑去。替这艘航空母舰护航的4艘重型巡洋舰采用了新战术：用重炮向前方海域发射炮弹，掀起一堵水墙。可是日本飞行员冲过了水墙，在离“约克城”号舰首不到500码的地方投下“长矛式”鱼雷。
两颗鱼雷击中了“约克城”号左舷，在油箱附近的舰壳上掀开两个大洞，舰舵被轧住了。大量海水从洞口涌入，“约克城”号发生令人担忧的倾斜。不一会儿，抢险队报告：他们解决不了海水滔滔不绝流进来的问题，因为临时修补远远不能把水堵住。
巴克迈斯特估计母舰很快就要倾覆，在下午3时前不久下令放弃。后来证明巴克迈斯特做出放弃舰只的决定为时过早。就在他做出这个决定的时候，一小时之前起飞的10架“无畏式”飞机侦察小分队，在下午2时45分左右到达南云舰队剩下的那艘航空母舰的上空。这就是“飞龙”号。第16特遣队收到这个消息后，斯普鲁恩斯在3时30分将“企业”号调头迎风，出动另一批空袭力量，共24架俯冲轰炸机，包括“约克城”号上的10架“无畏式”飞机。这时，日军“飞龙”号上饥饿的飞行员们则在吃着甜米团子。当瞭望员大喊着“敌人的俯冲轰炸机来了”的时候，还没等司号员吹起警号，“无畏式”轰炸机就从晚霞中直扑过来。“飞龙”号立刻起了大火。几分钟后，袭击停止了。除损失3架轰炸机以外，所有的“无畏式”轰炸机均平安返回。“企业”号报告了他们在一天之内击沉了两艘航空母舰的辉煌战绩。
日本参谋部的成员紧闭着嘴巴，围着海图磋商了一个多小时，核查剩下的海军部队的部署。角田觉治海军少将率领的两艘航空母舰和一批重型巡洋舰，对荷兰港进行了第二次空袭后，正从北太平洋火速南下。近藤海军中将率领的1艘轻型航空母舰、2艘战列舰和4艘重型巡洋舰正从西面驶向中途岛；栗田海军中将率领的 4艘重型巡洋舰和3艘水上飞机供应船从西北面全速驶往该岛。断后的是主力部队——巨型战列舰“大和”号、2艘较小的战列舰和1艘轻型航空母舰。如果这几支可怕的力量能够同南云剩下的2艘战列舰和3艘巡洋舰会合，仍将有希望赢得一场“海上决战”。为了集合分散的舰队，山本当晚发出乐观的信号：“敌人舰队几乎被消灭，正往东撤退。”并下令按计划在第二天占领中途岛。
南云接到了山本下午7时发出的命令：所有部队“立即接触敌人并将它们歼灭”。南云的舰队奉命立即改变航向，“参加夜间战斗”。
美军中途岛舰队指挥斯普鲁恩斯非常清楚山本的计划。他知道在夜间追逐南云遭到打击的部队，可能使他和弗莱彻在白天赢得的胜利前功尽弃。于是他命令特遣舰队东撤，在黎明时回到面临威胁的中途岛的攻击距离之内。精明的斯普鲁恩斯做对了，没有让舰队去冒这个险。6月5日上午，华盛顿海军部向记者发布新闻：太平洋上正在进行一场大规模海战，形势似乎对美国有利。
当然，山本还没有完全放弃希望，他认为如果美国舰队贸然西进到很远的地方，使日本舰队得以和威克岛出动的轰炸机群发动联合进攻，那么他仍能赢得胜利。但是斯普鲁恩斯又一次猜透了他的意图，除当天上午派出的一队俯冲轰炸机往西搜寻并炸毁前一天两艘受伤的巡洋舰外，未作大的举动。而西撤的日军也在没有遇到抵抗的情况下在阿留申群岛最西边的岛屿阿图岛登陆，俘虏了一小批阿留申的爱斯基摩人和气象站的10名工作人员。
日军占领了无人居住的一个小岛，向国内吹嘘太阳旗在美国大陆上飘扬了。虽然日本人攻占的岛屿只是名义上的美国海岸，但仍使美国国内感到不安。在日军登陆的第二天，美军命令第16特遣舰队北上，出动轰炸机群袭击被占领的岛屿，拔掉了这个令人尴尬的日本的新前哨站。这样，山本就失去了补救这次失败的最后机会。
这次中途岛附近的海战，标志着日本帝国末日的开始，不仅打破帝国海军从未失败的记录，而且使它损失了4艘航空母舰，1艘重型巡洋舰、2200名水兵的生命、 234架飞机和最好的海军飞行员。山本宣布他要承担全部责任。在“长良”号上，南云严厉自责是自己造成了这次惨败，被他的部下劝住没有自杀。
6月10日，东京的海军参谋本部努力掩盖他们失败的惨重程度，他们害怕公众的批评，害怕丢脸。广播电台播放了《海军进行曲》响亮的乐曲之后，广播员宣读了一份公报：日本已“成为太平洋上的最强国”，“一次战斗决定了”这场战争的胜败。在这次战斗中，帝国海军的1艘航空母舰被击沉，美国海军则损失了两艘航空母舰和120架飞机。
4天之后，当联合舰队返回柱岛锚地的时候，东京举行了灯笼游行，庆祝这次新的“胜利”，联合舰队是不宣而归的，没有说明为何少了4艘航空母舰，因为自从战争开始以来它们一直在海上，这次没有回来也没有人惦念。“赤城”号、“加贺”号、“苍龙”号和“飞龙”号上的幸存者没有休假，被匆匆派到了日本和太平洋上的前哨基地；伤员是在夜间上岸的，然后被送往与外界隔绝的医院病房，不准和亲人会面。
分析家评价说，美国航空母舰在中途岛赢得胜利，一是靠美国海军情报机关顽强和严守秘密的作风，每个飞行员的勇敢，以及弗莱彻、斯普鲁恩斯的冷静的战术判断和尼米兹的大胆的战略谋划。二是日本人致命的“胜利”病也帮了忙。
海军上将金在评价美国这次胜利的意义时写道：“中途岛战斗是日本海军350年以来的第一次决定性的败仗。它结束了日本的长期攻势，恢复了太平洋海军力量的均势。”