8时30分，空袭中途岛的第一攻击波机群返航飞抵日本舰队的上空。还有那些保护航空母舰的战斗机也需要降落加油。南云处于进退维谷的境地。第二航空母舰战队司令山口海军少将向南云建议“立即命令攻击部队起飞”。第二批突击飞机换装鱼雷还没有完成，如果马上发动进攻，也没有战斗机护航。而且舰上的跑道被起飞的飞机占用，那么油箱空空的第一攻击波机群会掉进海里。南云决定把攻击时间推迟，首先收回空袭中途岛和拦截美军轰炸机的飞机，然后重新组织部队以进攻美军特混舰队。
8时37分，返航的飞机开始相继降落在四艘航空母舰飞行甲板上。
9时18分，全部飞机的作业完毕。南云命令舰队以30节的航速向北航行，以避开再来攻击的美机，准备全力进攻美军特混舰队。
9时20分，掩护日本舰队的战斗机开始起飞。
9时25分，一队由大黄蜂号起飞的15架“复仇者”式鱼雷轰炸机组成的编队发现了南云舰队。不幸的是，他们的燃油即将耗尽，而且没有战斗机护航。在自杀式攻击中，被零式战斗机和高射炮火全部击落，30名飞行员除1人生还外全部遇难。
9时30分，从企业号、约克镇号起飞的28架美军战机陆续尾随而来，向苍龙号和飞龙号展开攻击。然而在攻击南云舰队的时候遭到重创，损失了20架鱼雷轰炸机，美机所投鱼雷竟无一命中。
中途岛10时20分，由102架飞机组成的日军舰载机攻击队此时也已排列就绪。正当日军战斗机在低空忙着驱赶美军鱼雷机时，南云舰队的上空出现了33架由克拉伦斯?麦克拉斯基少校率领从企业号起飞的无畏式俯冲轰炸机。此时，日舰正在掉头转到迎风的方向，处于极易受攻击的境地，甲板上到处是鱼雷、炸弹及刚加好油的飞机。这正是美军求之不得的有利时机。
10时24分，第一架日本战斗机飞离飞行甲板时。企业号的33架“无畏”式俯冲轰炸机，分成2个中队分别攻击赤城号航空母舰和加贺号航空母舰，接踵而来的是17架从约克镇号航空母舰上起飞的“无畏”式俯冲轰炸机则专门攻击苍龙号航空母舰。日军的3艘航空母舰刹那间变成了三团火球，堆放在甲板上的等待起飞的飞机以及燃料和弹药引起大爆炸，火光直冲云霄，短短的5分钟，日本三艘航空母舰被彻底炸毁了。
10时40分，接替指挥空中作战的日第2航空战队司令官山口多闻少将发动反击，18架由“九九”式俯冲轰炸机和6架零式战斗机组成的攻击编队从飞龙号航空母舰起飞。飞向目标途中，发现了一批正在返航的美军轰炸机，便悄悄的尾随。就因如此，日机成功的找到了约克城号，并立即发动攻击。3颗炸弹命中约克城号，虽然遭到破坏，但是在美军船员的极力抢修下，恢复了航行功能。
11点30分，南云中将及其幕僚转移到了长良号巡洋舰，开始集合残余的舰队。
13时40分，10架日军“九七”式鱼雷攻击机和6架“零”式战斗机又从飞龙号飞来，对受伤的约克城号发起了第二次攻击。约克城号这次就没那么幸运，被两枚鱼雷击中，左舷附近掀开两个大洞，并把舰舵给轧住了。弗莱彻少将被迫转移到巡洋舰，将指挥权移交给斯普鲁恩斯少将。
14时45分，美军侦察机发现日军飞龙号航空母舰，斯普鲁恩斯立即命令企业号、大黄蜂号航空母舰的30架“无畏”式俯冲轰炸机起飞，去攻击飞龙号。
15时00分，美军约克城号的舰长巴克马斯特被迫下令弃舰。然而，它却并没有沉没，于是美军又回到该舰上，试图由拖船拖向珍珠港。
16时45分，美军企业号航空母舰的俯冲轰炸机成功地攻击了日军剩下的飞龙号。飞龙号当即命中4弹，船上一片火海。山口司令官和舰长加来止男随舰葬身大海。
中途岛6月4日晚19时，已经被摧毁的日军苍龙号、加贺号航空母舰先后沉没。
6月5日2时55分，日本联合舰队司令山本五十六大将否决了其首席参谋黑岛大佐提出的集中全部舰只在白天轰炸并登陆中途岛的挽回败局的方案，下令：“取消中途岛的占领行动。”并表示“所有责任由我一个人来担当，我回去向天皇陛下请罪。” 他把自己关进会客室，一连三天拒绝会见部下。6月5日夜间，日军两艘重巡洋舰最上号和三隈号在浓雾中转向时互撞，最上号重创，三偎号留下陪伴左右。
3时50分，被摧毁的赤城号航空母舰被日军驱逐舰发射的鱼雷击沉。
5时10分，无法挽救的飞龙号航空母舰被日军驱逐舰发射的鱼雷击沉。
6月5日天亮，美军飞机一波又一波的轰炸负伤的日军巡洋舰三隈号、最上号。三偎号葬身海底，而重伤的最上号反而逃过大难，挣扎着回到特鲁克的基地。攻击结束以后，美军特混舰队随即撤离战场。
13时00分，日军I-168号潜艇发现了约克城号，随即发射4条鱼雷，2条命中约克城号，1条命中护航的哈曼号(DD-142 USS Hammann)驱逐舰，两舰相继沉没。
中途岛之战终于宣告结束。
战役结果及意义
中途岛战役美军只损失一艘航空母舰、1艘驱逐舰和147架飞机，阵亡307人；而日本却损失了4艘大型航空母舰、1艘巡洋舰、330架飞机，还有几百名经验丰富的飞行员和3700名舰员。日本海军从此走向了失败。为了掩护自己的惨败，避免挫伤部队的士气，6月10日日本电台播放了响亮的海军曲，并宣称日本已“成为太平洋上的最强国。”当惨败的舰队疲惫不堪地回到驻地时，东京竟举行灯笼游行以庆祝胜利。美国海军首脑事后评价道：“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”。同时，此战还给日军高层造成了难以愈合的创伤，这一痛苦的回忆直到二战结束一直挥之不去，使他们再也无法对战局做出清晰的判断。
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