日军的4艘航空母舰中唯有第2航空战队司令官山口多闻海军少将的旗舰——“飞龙”号尚未受创。山口令“飞龙”号第1突击机群立即起飞，去攻击美舰，但遭美机和防空炮火的拦击，仅6架得以攻击。“约克城”号被击中3弹受伤，后经抢修又能继续航行。山口根据返航飞行员报告的情况，决定进行第2次攻击。第2突击机群共有鱼雷机10架、战斗机6架。其中的4架鱼雷机突防成功，再次攻击了“约克城”号。后者被击中两条鱼雷，3个锅炉舱进水，失去航行能力。
“约克城”号正被日机攻击时，美侦察机发现了日航空母舰“飞龙”号。斯普鲁恩斯获悉后，立即从“企业”号派出24架，从“大黄蜂”号派出16架轰炸机进行回击。“企业”号的轰炸机首先飞临目标上空并投弹，4颗命中引起大火；“大黄蜂”号飞机抵达现场时，见“飞龙”号烈火熊熊，奄奄一息，便去攻击其警戒舰只。次日晨，山口决定弃舰，并派驱逐舰以鱼雷将“飞龙”号击沉。
为了挽回败局，在联合舰队旗舰“大和”号上的山本，决意将己方战列舰、巡洋舰等主要兵力集中起来，与敌进行一场水面决战。但美航母编队这时已开始东撤，无意与敌夜战。后来，山本意识到，日军继续东进，拂晓后将难以逃避敌机的攻击，这才无可奈何地决定停止这次作战，命令全军西撤。是日夜，栗田部队奉命前去炮击中途岛，接到撤退命令后立即转向。在返航途中发现美潜艇，规避潜艇时，日重巡洋舰“最上”号与“三隈”号相撞。“最上”号舰首毁损，“三隈”号油舱破裂，舰尾拖着一条油迹。次日晨，美特混编队对其进行追击，上述2舰各被击中数颗炸弹，为其护航的2艘驱逐舰也都各中1弹。数小时后，“三隈”号沉没。