日军以损失6架飞机的很小代价完成了第一次攻击。7时整，友永大尉率第一攻击波飞机返航，并向南云中将发出了有必要进行第二次轰炸的电报。7时10分，首批从中途岛起飞的10架美军鱼雷轰炸机出现在南云舰队的上空。美军飞机排成单行，扑向日航空母舰。在日军战斗机疯狂的截杀和日舰猛烈的炮火下，美机如同飞蛾扑火，一架接一架坠入大海，一架跟着一架又扑上来，但却无一命中目标。结果有7架美机被击落。美机的攻击使南云相信中途岛的防御力量还很强，于是决定把原来准备用于对付美舰的飞机改为对中途岛进行第二次轰炸。此时，他仍然没有发现美军舰队。7时15分，南云下令将在甲板上已经装好鱼雷的飞机送下机库，换装对地攻击的高爆炸弹。
7时30分，南云突然接到“利根”号巡洋舰派出的一架侦察机发来的电报：“发现敌10艘军舰，距中途岛240海里。”此报告如晴天霹雳，南云万万没料到美舰队居然埋伏在那里。他立即要这架侦察机查明，那支舰队是不是有航空母舰，同时命令暂停对鱼雷机的换弹。就在南云等待“利根”号派出的那架侦察机的侦察结果时，空中又一次响起了空袭警报，40余架从中途岛起飞的美军俯冲轰炸机，分成3个编队向日本舰队扑来。南云急忙命令战斗机迎战。美军轰炸机由于没有战斗机的护航，当然不是日本“零”式战斗机的对手。还没靠近日军航空母舰，就被击落了一半，其余的也被日机逐回，各艘日舰完好无损。
8时10分，那架日军侦察机终于给南云发来了“美舰为5艘巡洋舰和5艘驱逐舰”的报告，南云这才松了口气。他的参谋长草野主张第二次攻击中途岛，回头再来对付这10艘军舰组成的普通舰队。于是南云下令继续对鱼雷机换装炸弹。然而，几分钟后，日军侦察机又发回了一份语意模糊的电文“敌舰似乎由一艘航空母舰垫后”。这下南云面临一个选择时机的问题。一是马上动用第二批飞机发动一次进攻，但它们大部分都已装上了准备轰炸中途岛的炸弹，是先撤换弹药，还是即刻起飞呢？而且，如果是即刻起飞，第一批袭击中途岛的飞机已返航，它们的油快用完了。如果等第二批飞机起飞后再让第一批飞机降落，那么第一批飞机上的油不会让它们有等待的时间，它们将掉进海里。二是在发起攻击之前，回收第一批机群以及正在为舰队护航的战斗机，以便重新装满弹药和油料。这样将可能发动一次较强的攻势，但至少需要1个小时的时间。美军飞机完全有可能利用这段时间发起袭击。
南云权衡再三，举棋不定，终于决定采取第二种方案。应该说这是一种危险的方案，但他却认为这是正统的战略战术。他希望毕其功于一役，而又尽可能减少损失。然而他忽视了时间因素，也许是不太相信美军舰队会利用时间差来抓住稍纵即逝的战机。
于是，南云下令各舰将已换装上炸弹的飞机再次送回机库重新改装鱼雷，收回中途岛归来的第一波飞机，并命令舰队以30节的航速向北撤离，以避开再来攻击的美机和取得有利阵位。命令下达后，各舰只一片忙乱，地勤人员拼命地给鱼雷机卸掉重磅炸弹，重新装上鱼雷。这犹如一场炸弹换鱼雷，鱼雷换炸弹的演练比赛，卸下来的炸弹来不及送至弹药库，任意堆放在机库旁。
在中途岛东北海面，由斯普鲁恩斯少将和弗莱彻中将率领的第十六、第十七特混舰队，就像一个耐心等待的猎人，一连几天一直全神贯注地静候猎物的到来。6月4日拂晓，当中途岛派出的“卡塔林娜”式侦察机发回发现日军航空母舰的报告时，弗莱彻和斯普鲁恩斯也接收到了。于是，弗莱彻命令斯普鲁恩斯赶紧向南航行，当确实发现敌方航空母舰位置时，即断然发起攻击。他又告诉斯普鲁恩斯说，等“约克城”号收回了它正在搜索的10架侦察机后，也会立即赶来。斯普鲁恩斯推算南云舰队在他的舰队偏西大约200海里处，而且，根据中途岛的战况情报估算，攻击中途岛的日机大约在9时左右就能完成攻击回到航空母舰加油。机不可失，斯普鲁恩斯果断地下达了进攻的命令。
7时06分，第十六特混舰队两艘航空母舰上的飞机开始起飞。从“大黄蜂”号航空母舰上起飞了35架“无畏”式俯冲轰炸机、15架“复仇者”式鱼雷攻击机和10架“野猫”式战斗机。从“企业”号航空母舰上起飞了33架“无畏”式俯冲轰炸机、14架“复仇者”式鱼雷攻击机和10架“野猫”式战斗机。8时40分，第十六特混舰队西面15海里处的第十七特混舰队的17架“无畏”式俯冲轰炸机、12架“复仇者”式鱼雷攻击机和6架“野猫”式战斗机也飞离了“约克城”号甲板。
然而，美军庞大的机群缺乏配合，编队四分五裂。由于南云转向航行，一些美机来到预定海域却不见南云舰队踪影。有的飞行编队的轰炸机和鱼雷机与护航的战斗机失散了。一队由“大黄蜂”号起飞的15架“复仇者”式鱼雷攻击机组成的编队，独自向北搜索，终于在9时25分发现了南云舰队。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，被日本的“零”式战斗机和高射炮火纷纷击落，30名飞行员除1人生还外全部遇难。紧接着，由“企业”号起飞的14架“复仇者”鱼雷攻击机和由“约克城”号起飞的12架“复仇者”鱼雷攻击机也发现了目标，但当他们在攻击日“苍龙”号和“飞龙”号航空母舰的战斗中均遭重创，共损失了20架鱼雷机。更可悲的是，美机所投鱼雷竟无一命中日航空母舰。此时，南云已完成了出击准备，102架飞机组成的日军舰载机攻击队已排列就序，整装待发。美航空母舰眼看将遭到重大打击。
就在美军败局将定的时候却出现了戏剧性的转折。从“企业”号上起飞的33架美军“无畏”式俯冲轰炸机，在预定的海域没有发现目标，搜索了1个多小时也一无所获。由于燃料不足，他们正准备返航时，却突然意外地发现了一艘日军驱逐舰，领队的麦克拉斯基少校认为，这艘驱逐舰或许能够帮助他们找到日航空母舰，于是率队紧随日舰而行。果然，大约10分钟后（10时20分），在6000米的高空中，麦克拉斯基他们发现了由4艘航空母舰组成的蔚为壮观的南云舰队。从“约克城”号航空母舰上起飞的17架“无畏”式俯冲轰炸机也紧随其后飞抵日航空母舰上空。
此时，日舰正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，而且保护航空母舰的战斗机正在低空四处追杀美军鱼雷机。这正是美军求之不得的有利时机。于是，“无畏”式俯冲轰炸机开始了无畏的攻击。“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”号和“加贺”号航空母舰，而“约克城”号的17架“无畏”式俯冲轰炸机则专门攻击“苍龙”号航空母舰。
如果起飞及时，甲板上的已准备好的日机5分钟后即可完全升空，从而与美机展开空战。但是，已经来不及了！10时24分，正当第一架加油完毕的“零”式战斗开足了马力，驶离飞行甲板时，一名日军防空哨突然惊叫：“俯冲轰炸机！俯冲轰炸机！”话音刚落，只见一架美军俯冲轰炸机首先冲出云层，直扑“加贺”号而来，4颗炸弹分别在飞行甲板上的前中后部炸开，其中一颗正好落在舰桥旁边，炸中了那里的一辆加油车。顷刻之间，“加贺”号变成了一个巨大的火炉，浓烟滚滚，火光冲天，舰长冈四大佐当场被烧死。不久该舰即自动爆裂沉没，来不及逃生的700多名日军官兵随舰一起魂归大海。
“加贺”号的惨状把“赤城”号旗舰上的南云等人惊得呆若木鸡，甚至没有注意到美机也已向他们扑来。在“加贺”号挨炸后仅一分钟，另一架俯冲轰炸机就垂直俯冲下来，炸弹从机翼下飘摇而下。刹那间，“赤城”号舰桥上的日军被这令人眩目的光亮照得眼花缭乱，随即就被炽热的气浪掀翻。美机的炸弹一颗打在升降机后部，一颗落在飞行甲板左舷后段。顿时，火光熊熊，浓烟四起，舰载机机尾朝天吐出青蓝色的火舌。紧接着，一枚又一枚炸弹连续爆炸，大火四处蔓延，吞没了甲板上的飞机。飞机所装载的鱼雷又被引爆，整个机库已成了一片火海。大火很快包围了舰桥，南云无可奈何地转移到“长良”号巡洋舰上。6月5日清晨，“赤城”号由一艘日军驱逐舰予以击沉，200多名日军官兵随舰沉没。
“约克城”号的17架俯冲轰炸机则向“苍龙”号航空母舰俯冲而去。10时30分，3枚1000磅重的高爆炸弹分别命中该舰前部飞行甲板和中部升降机，引爆了堆放的弹药和油库，顿时整个航母变成了一片火海，舰长柳本少佐不得不下令官兵弃舰逃生，至傍晚，“苍龙”号随着日落沉入了海底，包括舰长柳本在内的700多名官兵也一同随舰下沉。南云转移到“长良”号之后，想起刚刚发生的一幕幕惨景，犹如恶梦初醒，不禁号啕大哭。他羞愤地想剖腹自杀，但被其部下劝住了。
现在，威武一时的南云舰队只剩下“飞龙”号航空母舰独撑危局了。在该舰上指挥的第二航空战队司令官山口多闻少将在接替了南云的空中作战指挥权后，毫不犹豫地决定实施对美航空母舰的报复。10时40分，18架“九九”式俯冲轰炸机和6架“零”式战斗机从“飞龙”号航空母舰上起飞。它们在空中盘旋一阵后，发现一批执行完轰炸任务的美机正在返航，于是悄悄地尾随它们。这是“约克城”号航空母舰的返航机群。当美机正一架架地朝“约克城”号的甲板上降落时，日军机群也逼进了美舰上空。美军12架护航的“野猫”式战斗机立即抢占了高度，在日机发起进攻前就击落了3架“零”式战斗机和6架“九九”式俯冲轰炸机，但仍有6架日机突破了美战斗机的拦截，向“约克城”号航空母舰投掷炸弹，并命中3颗。“约克城”号舰身起火，锅炉气压下降，失去了航行能力。
下午13时40分，受伤后的“约克城”号经过抢救后，以19节的航速继续航行。但就在这时，10架日军“97”式鱼雷攻击机和6架“零”式战斗机又从“飞龙”号飞来，对“约克城”号发起了第二次攻击。此时，美军有8架战斗机正在“约克城”号上加油，只有4架留在空中，无法有效阻止日机。4架日军鱼雷机突破了美舰的防空炮火，在离“约克城”号舰首不到500米的地方向其发射“长矛式”鱼雷。其中2颗命中“约克城”号左舷，在油箱附近掀开两个大洞，并把舰舵给轧住了。“约克城”号的动力、照明和通讯系统尽遭破坏，左舷倾斜。下午15时，舰长巴克马斯特被迫下令弃舰。第十七特混舰队司令弗莱彻中将转移到一艘巡洋舰上，并把战术指挥权移交给第十六特混舰队司令斯普鲁恩斯少将。2天后“约克城”号被一艘路过的日军潜艇彻底击沉。
下午14时45分，日军“飞龙”号航空母舰被美军侦察机发现，斯普鲁恩斯立即命令“企业”号航空母舰的24架“无畏”式俯冲轰炸机起飞，去攻击“飞龙”号，为“约克城”号报仇。下午17时整，当美军轰炸机出现在“飞龙”号上空时，该舰疲惫不堪的日军官兵正蹲在甲板上狼吞虎咽地吃着米团。当防空哨突然大喊着“敌人俯冲轰炸机来了”的时候，还没等预警员拉响警报，“无畏”式轰炸机就从晚霞中直扑过来，一连串重磅炸弹呼啸而下，4弹命中目标。不久，从中途岛和夏威夷起飞的“B－17空中堡垒”式轰炸机也赶来助战。在美机的轮番轰炸下，“飞龙”号很快变成一片火海。21时23分，在抢救该舰无望后，山口多闻少将和舰长加来止男少佐下令全体船员离舰，并命令1艘驱逐舰将“飞龙”号击沉，山口和加来则把自己绑在舰桥上，随舰葬身汪洋。“飞龙”号的沉没，标志着显赫一时的南云主力舰队的彻底覆没。
就在南云舰队遭到灭顶之灾时，山本五十六亲率的主力舰队正在南云后面的450海里处迎风行驶。最初，当“利根”号巡洋舰派出的侦察机发回发现美航空母舰的报告时，山本在“大和”号上也接收到了。山本和手下的参谋不但没有担心，反而认为这是消灭美太平洋舰队主力的好机会。然而，山本并不知道南云舰队由于反复换装炸弹和鱼雷，造成舰上出现的一片混乱状况。他认为，只要南云停下对中途岛的攻击，马上下令第二攻击波机群起飞去对付美航空母舰，那么他们的胜利是绝对有把握的。可是南云的犹豫迟疑，加上频繁地换装弹药，最终使美国人抢先一步来打击他了。
6月4日上午10时50分，山本收到了南云从“长良”号巡洋舰发来的电报：“我‘加贺’、‘苍龙’和‘赤城’号遭敌机群攻击，已中弹起火。余下舰只正暂时北撤，重整旗鼓。”不幸的消息传来，使山本及其幕僚们大惊失色。为了挽回败局，山本下令集中中途岛和阿留申方向的全部兵力，与美国舰队进行决战，同时令军舰高速前进，趁黑夜占领中途岛。
然而，当山本得知“飞龙”号中弹沉没的消息后，这才意识到大势已去。他否定了黑岛大佐提出的保全面子，掩饰败局的方案。该方案试图集中包括“大和”号在内的全部舰只，在白天轰炸并占领中途岛。这无异于自取灭亡，因为斯普鲁恩斯为避免与日军夜战，已率美舰队向东撤退到靠近中途岛的海面，而此时日联合舰队的航空兵力已不占优势。6月5日凌晨2时55分，山本痛苦地向全舰队发出了撤消中途岛作战计划的命令。至此，空前规模的中途岛海战宣告结束。
中途岛海战是海军史上成败瞬息万变的一战，是美国海军以少胜多的一个著名战例。在这场海战中，美军共损失1艘航空母舰、1艘驱逐舰、147架飞机和307人。日军共损失4艘大型航空母舰、1艘重巡洋舰、322架飞机和3500人，另有1艘重巡洋舰和2艘驱逐舰受重创。更重要的是，日本海军损失了2/3的大型航空母舰和几百名熟练的舰载机飞行员。结果，日军丧失了在太平洋战争初期所据有的海空控制权。此战给日军高层造成了无法愈合的创伤，从中途岛战役以后直到第二次大战结束，这一痛苦的回忆使他们再也无法对战局作出正确的判断。
此战之后，东京当局被迫停止了战略上的全面进攻，放弃对斐济、萨摩亚、新喀里多尼亚等岛的主攻作战，改为以守势为主的试探性进攻，太平洋战争开始出现转折。这场大海战，对日本来说，是难以置信的败北，对美国来说，则是难以置信的胜利。这次胜利是美军在太平洋战争中第一次取得决定性的胜利。中途岛海战不仅沉重地打击了日本联合舰队，也为美国海上反攻赢得了时间。
