中途岛海战最激烈之时，渊田美津雄向会议室跑去，他被眼前的场景惊呆了，士兵们抬着一个个伤员进入会议室，而没有送到病房。他前去询问，得知根本送不过去。
“整个航母都着火了，根本过不去，”一位医护兵说道。
这个消息简直晴天霹雳。几小时前，他离开同病房的31个病员，独自一人登上甲板。他本想回去拿点随身物品，却被大火阻断回不去。
一眼望去，渊田美津雄看到“加贺”号和“苍龙”号都燃起了熊熊大火，处境危急。只有“飞龙”号安然无恙，在其他3艘航母前面开路。4枚1000磅的炸弹击中“加贺”号后，它已经在劫难逃。“约克城”号的飞机投下3枚1000磅炸弹击中“苍龙”号，不偏不倚地穿过飞行甲板进入机库。紧接着，日军飞机一架接一架起火燃烧，拆卸下来的炸弹也一个接一个爆炸。整个过程只持续了短短4分钟。
在混乱之中，乔治·格雷目睹了整个过程，他是“大黄蜂”号航母上的第8“破坏者”舰载机中队中的唯一幸存者。30小时后，他才被中途岛基地的飞机救上岸。他后来描述日军航母“烧得像喷灯一样”。
在此形势下，南云不得不下令放弃“赤城”号航母，他本想与自己的旗舰一同沉入海底，却被身边人劝阻，提醒他现在的真正任务是继续指挥战斗。于是，南云把旗舰转移到轻型巡洋舰“长良”号上。但是，当渊田美津雄从航母上往该艘轻巡洋舰上跳时摔断了双腿，不得不在该舰的病房里养伤。
日本舰队遭受的损失简直超乎日本人的想象，但他们依旧自信能够拿下中途岛，就连反对此次行动的渊田美津雄也从未怀疑过，他深信只要找到美国太平洋舰队，就能将其一举歼灭。
海军少将山口多闻下令立刻向“约克城”号发起攻击，日军飞机在11时从“飞龙”号航母上起飞。只有8架“九九”式舰载轰炸机成功突破“约克城”号的护航战斗机群，穿过密集的高射炮火，向“约克城”号掷下3枚500磅的炸弹。其中，第一枚在停满飞机的飞行甲板上爆炸，甲板顿时陷入火海；第二枚击中烟囱，扑灭了5台锅炉中的煤火，只剩下一台锅炉没有熄火；第三枚径直穿过飞行甲板以及另外三道甲板，击中飞机燃油罐。不过，在美军消防人员的努力下，火势及时得到控制，燃油罐被干粉扑灭，弹药库也加强了防范。看起来，“约克城”号暂时幸存下来。
午饭后，山口多闻命令剩余飞机对“约克城”号发动第二波攻击，并派友永丈市带上10架“九七”式攻击机和6架“零”式战斗机加入行动。友永上尉曾经指挥第一次中途岛空袭行动，在第一次攻击“约克城”号后只有少数飞行员返回“飞龙”号，他就是其中之一。这一次，“约克城”号又将面临战斗。不过，在发现日机后，由于美舰的燃油即将耗尽，只有9架F4F“泼妇”战斗机可以升空作战，而且燃料随时可能用完。
“每架飞机只剩下40加仑的燃油，”海军上尉亚当斯（后来晋升上校）在英国广播公司拍的纪录片《海上飞行员》中回忆，“我、约翰·萨奇海军上尉（之后晋升为将军）以及另外4个人开着飞机……舰上所有火炮全部开火。我清楚地记得飞机起飞后，我开始装上弹药，瞄准敌人的鱼雷轰炸机开炮，确实打中了一架，也可能是两架。”
总共打下来5架鱼雷轰炸机，但其中4架落在了负伤的“约克城”号之上。在激烈的战斗中，“约克城”号先是躲过了2条鱼雷，却被另外两条击中左舷，紧接着又被3枚炸弹击中。亚当斯见此状况知道不能再降回“约克城”号上，于是选择在40英里开外的“企业”号航母上降落，这时候，机上的燃料已所剩无几。随后，“约克城”号的舰长下达了弃舰命令。当友永丈市向山口多闻汇报已击沉“约克城”号时，山口臆测美军另一艘航母肯定也被击中，太平洋上已经没有美军航母了。
“飞龙”号航母准备再次向美军发动攻击，其舰载飞机还没有起飞，就被“企业”号和“大黄蜂”号航母上的“无畏”俯冲轰炸机找到，在它试图逃跑时被至少4枚炸弹命中，还有4枚擦肩而过。日军飞机再次着火，烈火淹没了整个飞行甲板，一直烧到机库。
黄昏时分，“苍龙”号航母也被击中，随后失火爆炸。15分钟后，“加贺”号航母的弹药库失火，随即发生爆炸。当晚，只有“赤城”号幸存下来，破晓时分却被己方驱逐舰的鱼雷击沉。但是，像“飞龙”号经过一番抢救后，仍然浮在水面上，最终被B-17“堡垒”轰炸机击中，上午9时许沉没，该舰舰长和山口多闻当时就在这艘航母上。
得知损失4艘航母后，山本五十六放弃了登陆中途岛的打算，下令日军舰队向西撤退。斯普鲁恩斯下令“企业”号和“大黄蜂”号航母追击日军，希望能够击沉日军剩余的7艘战舰。6月6日，“三隈”号和“最上”号重巡洋舰相撞，受伤严重并掉了队。中途岛上的美国陆空军飞机袭击了这两艘巡洋舰，但效果不佳。随后，美军出动舰载机又对上述两艘巡洋舰发起攻击，击沉了“三隈”号，重挫了“最上”号以及两艘驱逐舰。
与此同时，美军也在极力挽救“约克城”号，并派出一艘驱逐舰护航。但是，到了6月7日，“约克城”号被日军潜艇I-168号发现，该艘航母遭到鱼雷致命攻击，护航的驱逐舰也被击沉。
对于美国人而言，此前的珊瑚海海战只是一次险胜，日军取得了战术胜利，美军赢得了战略胜利。毫无疑问，如今的中途岛海战对美国海军则是全面胜利，他们仅仅损失了1艘航母，日军却损失了4艘航母、1艘巡洋舰和250架飞机，更重要的是还葬送了大约3500名军人，其中大多数都是经验丰富的飞行员和老兵。在如此艰苦的条件下，新训练的兵员根本无法替代老兵们的位置。
在中途岛战役中，也许美国人并没有打赢这场仗，但日本人却再也没有机会打赢任何一场仗，因为局势已变。日军已经失去了先前的先发制人优势，也失去了军力优势。日军在开战之初的一二十天里迅速向太平洋扩张、向西挺进东南亚的神话已经成为历史。日军由攻势转入守势用了6个月的时间。
金后来写道：“中途岛海战是350年来日本海军的第一次惨败。更重要的是，它结束了日本长期以来的侵略行为，使太平洋上的海军力量重新恢复平衡。夏威夷和太平洋西海岸的威胁随之解除。除了阿留申群岛的吉斯卡岛和阿图岛上有日军外，敌军势力已被限制在南太平洋地区。但接下来，我们也将给予这一地区强有力的打击。”
中途岛战役胜利后的第一天，即6月7日，日军在西伯利亚和阿拉斯加中间的阿留申群岛登陆。正如金上将推测的那样，这不过是场花拳绣腿，改变不了太平洋战争的局势，只会白白浪费人力和物力。如果日本人真想占领阿拉斯加，这一行动还有意义，但是他们根本没有这一打算。
有了中途岛海战的经验，美军参战和没有参战的指挥官们都意识到日军很可能最终惨败。美国人在珍珠港事件中所受的巨大创伤正在愈合，日本人受到了应得的惩罚。不过，这一切仅仅只是开始。
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