美第16 特混舰队已靠近至距离南云舰队241 公里处。斯普鲁恩斯下令舰上飞机起飞攻击。由于日本“零”式飞机性能优于美机，日本舰队高炮火力猛烈、由9 时28 分至10 时，第一批15 架美军鱼雷轰炸机全被击落；军二批26 架被击落20 架，所投炸弹和鱼雷无一命中。
这时南云又错误判断空中再无其他敌机，加之“零”式歼击机飞行员为战果所鼓舞，蜂拥而下，围攻美军鱼雷轰炸机，使中、高空门户洞开。正当“零”式飞机返航加油时，一批37 架美俯冲轰炸机呼啸而至，直朝“赤城”号、“加贺”号冲了下来；另17 架对准“苍龙”号投弹。没有一架日本歼击机来得及起飞迎击；舰上高炮直到最后一刻才仓促开火。
10 时24 分，3 艘重型航空母舰全被炸中起火，引爆了舰上的炸弹和鱼雷。下午7 时，“苍龙”号首先沉没，“加贺”号、“赤城”号连同全部舰载飞机随后也沉入海底。南云仍妄图以残存的1 艘航空母舰“飞尤”号实施反击，18 架俯冲轰炸机由6 架“零”式歼击机掩护突击“约克敦”号，与美军12 架“野猫”式飞机发生空战。结果击落美机6架，但损失轰炸机13 架、歼击机3 架，随后10 架鱼雷轰炸机再次出击，击伤“约克敦”号。
下午5 时，斯普鲁恩斯集中手头全部飞机突击“飞尤”号，5 日凌晨将其击沉。6 日凌晨2 时55 分，山本下令中止中途岛作战行动。7日黎明，负伤的“约克敦”号被日本潜艇击沉。
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