6月4日從清晨到此時，美軍從中途島和航空母艦上共出動戰機99架，損失62架，戰果為零。點兒背到了極點。但是，美軍沒有放棄。從「企業」號航母起飛的第6轟炸機中隊沒有在預定海域發現日艦編隊，但中隊長小麥克拉斯少校做出了一個極為重要又明智的決定：向北搜索！終於在10點找到了日軍航空母艦編隊。日軍4艘航母正排成菱形編隊向北行駛。令小麥克拉斯驚奇的是，空中沒有一架警戒戰鬥機。原因很簡單，日軍已經迎戰美軍戰機幾波攻擊了，空中警戒的戰鬥機因燃油、彈藥耗盡，全部落艦補給。而且此時，日軍航母正在掉頭轉到迎風方向，處於極易受攻擊的境地。
10時24分，「赤城」號發出起飛命令，飛行長搖動小白旗，第一架換班的日軍警戒戰鬥機飛離甲板。正在此時，小麥克拉斯率領第6轟炸中隊33架轟炸機俯衝下來，分成兩隊，分別攻擊「赤城」號和「加賀」號航母（此時兩航母沒有做好放飛攻擊編隊的準備）。這次美國人否極泰來了。「赤城」號直接被兩枚450公斤炸彈命中，在正常情況下，這對南雲的旗艦不構成威脅，但誰讓這時「赤城」號甲板上停滿裝滿燃油的飛機呢，炸彈引爆了飛機，甲板上連續爆炸，「赤城」號的通信完全中斷，南雲忠一隻得棄艦，轉移到「長良」號輕巡洋艦上。接著，又有17架從美軍「約克城」號航母起飛的俯衝轟炸機來了，「蒼龍」號、「加賀」號也被命中！日軍3艘航空母艦剎那間變成了3團火球，堆放在機庫里的飛機及燃料和彈藥引發大爆炸。火光直衝雲霄，短短5分鐘，日本3艘航空母艦被徹底炸毀了，戰局發生大逆轉。已經轉移到「長良」號上的南雲忠一目瞪口呆，不知所措。
有關這段歷史，有一個為人熟知的「決定命運的5分鐘」的說法，最早是日本人提起的，意思是日軍只差5分鐘就能讓航空母艦上的戰鬥機起飛迎戰，那樣的話，結果可能就完全不同了。近年來，日本朝雲出版社出版的《中途島海戰》一書，提出了一個新觀點：沒有所謂的「決定命運的5分鐘」。書中通過分析當時參戰的日軍證詞，得出結論：3艘航母在中彈時，蒼龍、飛龍攻擊隊的飛機至少還需要30分鐘才能起飛，而「赤城」號、「加賀」號的戰鬥機起飛則需要更多時間。即便日軍還差5分鐘就能完成炸彈換魚雷的工作，但要把一架架飛機，通過升降機提升到甲板上，再把起飛位置排列好，完成試運行，然後起飛，最少需要30分鐘。所以，「決定命運的5分鐘」很可能是不存在的。這大概是日本人獨特的思維方式，說只差「5分鐘」就意味著「本來我們能贏」。
「約克城」號沉海底
這時，南雲的突擊艦隊只剩下一艘航空母艦了。那就是山口多聞指揮的「飛龍」號，他已接過空中作戰的指揮權。要說日本人也夠玩兒命的，山口多聞少將決定孤注一擲發動反擊，他告訴「飛龍」號上的飛行員：「你們已是突擊艦隊的最後一批飛行員了。」這些人全都傻了，難以相信。
10時40分，18架99式俯衝轟炸機和6架零式戰鬥機組成的攻擊編隊從「飛龍」號航母起飛，撲向美軍航母艦隊。途中，日機巧妙地跟在一批返航的美軍轟炸機後面，成功地找到了「約克城」號，並立即發動攻擊。雖然美機起飛迎戰，但還是有3枚炸彈命中「約克城」號，炸彈在艦體內爆炸，但在美軍船員的奮力搶救下，「約克城」號還能堅持航行，甚至甲板上的飛機還能起飛。
這讓日本人很不爽，不久又有10架日軍97式魚雷攻擊機和6架零式戰鬥機從「飛龍」號起飛，對受傷的「約克城」號發起第二輪攻擊。「約克城」號這次沒那麼幸運，被2枚魚雷擊中，左舷附近掀開兩個大洞，艦上的全部動力、照明和通信設備損壞，艦舵還給軋住了。弗萊徹少將被迫轉移到巡洋艦上，將指揮權移交給斯普魯恩斯少將。受傷的「約克城」號傾斜搖晃，聽任風浪擺布，由一艘掃雷艦拖向珍珠港。但是，途中又被一艘日軍潛艇發現，這艘潛艇悄悄向「約克城」號發射了魚雷，「約克城」號又堅持了一天，最終沉入波濤之中。
戰鬥仍在繼續，6月4日下午2時45分，美軍偵察機發現了日軍僅剩的「飛龍」號航母，斯普魯恩斯立即命令「企業」號、「大黃蜂」號航母的全部30架俯衝轟炸機起飛，前去攻擊，為「約克城」號報仇。
下午5時，美軍轟炸機編隊宛如一條長蛇，飛臨「飛龍」號上空，日軍出動6架零式戰鬥機迎戰，擊落了2架美軍飛機。但是，日軍再沒什麼好運氣了，「飛龍」號最終被4枚重磅炸彈命中，甲板上當即變成一片火海。當「飛龍」號上的日軍拚命救火時，美軍飛機不斷增援，輪番投彈，「飛龍」號已經完了。山口多聞海軍少將命令部下離艦，他對部下說：「我決心與艦共存亡。我命令你們全體離艦，繼續為天皇效忠。」最終，山口多聞和「飛龍」號艦長一起隨艦葬身大海。
山雨欲來風滿樓，美日雙方緊密布局中途島。
山口多聞是日本海軍中一員出色的戰將，山本五十六都很看好他，想讓他當接班人，只是他資歷淺，妨礙了提升。在「飛龍」號被大火吞沒時，山口拒絕離艦，非要與艦同沉。其實，這不完全是日本武士道精神，而是英國皇家海軍的傳統。但是此時，英國皇家海軍已經放棄了這個愚蠢的傳統。其實，國力要是強大，幾個月就能造一艘軍艦，美國後來造自由輪（二戰期間美國大量製造的一種貨輪）時，工人開玩笑地說，離下班還有倆鐘頭，再造一艘出來吧。但要培養出一個合格的艦長很難，一名軍人從海軍軍校畢業，授少尉，升到上校起碼要20年，很耗時間。而山口多聞都做到少將司令官了，何況他還是不可多得的出色戰將。中途島海戰對於日本來講，最慘重的損失不是航母、巡洋艦，而是幾百名經驗豐富的飛行員和水兵，還有像山口多聞那樣的軍官。
6月4日晚，已被摧毀的日軍「蒼龍」號、「加賀」號航空母艦相繼沉沒。「赤城」號還在漂著，艦長請求山本五十六允許把「赤城」號炸沉。山本當過「赤城」號艦長，對該艦感情頗深，他無可奈何地下令：「那就讓驅逐艦向『赤城』號發射魚雷吧。」艦上221名水兵隨即葬身魚腹。中途島西北海面，成了日軍航母的墳場。
6月5日凌晨，日本聯合艦隊司令長官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」號受重創。隨後美軍發現了這兩艘巡洋艦。6月6日天亮，美軍飛機一波又一波地轟炸「三隈」號和「最上」號。「三隈」號葬身海底，而被撞傷的「最上」號反而逃過一劫，掙扎著返回特魯克的基地。攻擊結束以後，美軍特混艦隊隨即撤離戰場，中途島之戰終於宣告結束。
在這場戰役中，美軍只損失了1艘航空母艦、1艘驅逐艦和147架飛機，陣亡307人；而日本卻損失了4艘大型航空母艦、1艘重巡洋艦、330架飛機，還有幾百名經驗豐富的飛行員和3700名艦員。日本在太平洋戰場從此開始喪失戰略主動權，戰局出現了有利於盟軍的轉折。
美國海軍首腦事後評價：「中途島海戰是日本海軍350年來的第一次決定性敗仗。它結束了日本的長期攻勢，恢複了太平洋海軍力量的均勢。」同時，此戰還給日軍高層造成了難以癒合的創傷，使他們再也無法對戰局做出清晰的判斷。這一痛苦的回憶，日本直到二戰結束都揮之不去。開戰前，山本就曾說過，日本只能堅持半年。從1941年12月日軍偷襲珍珠港到1942年6月中途島海戰，日本果然就半年好運。山本真是沒白在美國待那麼長時間，比那些沒出過國、自認老子天下第一的土包子同僚和愛國賊「憤青」看得准得多。
為了掩蓋自己的慘敗，避免挫傷部隊的士氣，6月10日，日本電台居然播放了響亮的海軍曲，宣稱日本已「成為太平洋上的最強國」。當慘敗的艦隊疲憊不堪地回到駐地時，東京竟舉行提燈遊行慶祝勝利！