迫轉移到巡洋艦，將指揮權移交給斯普魯恩斯少將。
14時45分，美軍偵察機發現日軍飛龍號航空母艦，斯普魯恩斯立即命令企業號、大黃蜂號航空母艦的30架“無畏”式俯衝轟炸機起飛，去攻擊飛龍號。
15時00分，美軍約克城號的艦長巴克馬斯特被迫下令棄艦。然而，它卻並沒有沉沒，於是美軍又回到該艦上，試圖由拖船拖向珍珠港。
16時45分，美軍企業號航空母艦的俯衝轟炸機成功地攻擊了日軍剩下的飛龍號。飛龍號當即命中4彈，船上一片火海。山口司令官和艦長加來止男隨艦葬身大海。
中途島6月4日晚19時，已經被摧毀的日軍蒼龍號、加賀號航空母艦先後沉沒。
6月5日2時55分，日本聯合艦隊司令山本五十六大將否決了其首席參謀黑島大佐提出的集中全部艦隻在白天轟炸並登陸中途島的挽回敗局的方案，下令：“取消中途島的佔領行動。”並表示“所有責任由我一個人來擔當，我回去向天皇陛下請罪。” 他把自己關進會客室，一連三天拒絕會見部下。6月5日夜間，日軍兩艘重巡洋艦最上號和三隈號在濃霧中轉向時互撞，最上號重創，三偎號留下陪伴左右。
3時50分，被摧毀的赤城號航空母艦被日軍驅逐艦發射的魚雷擊沉。
5時10分，無法挽救的飛龍號航空母艦被日軍驅逐艦發射的魚雷擊沉。
6月5日天亮，美軍飛機一波又一波的轟炸負傷的日軍巡洋艦三隈號、最上號。三偎號葬身海底，而重傷的最上號反而逃過大難，掙扎著回到特魯克的基地。攻擊結束以後，美軍特混艦隊隨即撤離戰場。
13時00分，日軍I…168號潛艇發現了約克城號，隨即發射4條魚雷，2條命中約克城號，1條命中護航的哈曼號（DD…142 USS Ha