“飞龙号”准备在16时30分起飞飞机，对“约克城号”实施第三次攻击。为了给筋疲力竭的飞行员用上晚餐，日本人决定把起飞时间推迟到18时。正在飞行员用餐的时候，突然，13架俯冲轰炸机从背阳方向袭来，对“飞龙号”进行了猛烈攻击，其它一些飞机攻击了“飞龙号”的护航舰只。“飞龙号”避开了投下来的头3颗炸弹，但4颗炸弹接踵而至，2颗炸弹击中了上层建筑前部，另外2颗击中舰的中部。机库里又一次发生骇人的大爆炸，并引爆了为第三次攻击美国航空母舰准备的鱼雷和炸弹。即使受到这样严重的损害，“飞龙号”还保持着28节航速。炸弹爆炸摧毁了消防设备，熊熊燃烧的大火无法扑灭，火势逐渐蔓延到全舰。大火在“飞龙号”上烧了一夜。第二天凌晨2时30分，日本人下达了弃舰命令。一艘护航驱逐舰向它发射了一条鱼雷[校者注：实际上，日本“风云号”和“夕云号”2艘驱逐舰各向“飞龙号”发射了2条鱼雷]，以便将其击沉，但是，第二天早上“飞龙号”还漂在水面，大约到9时才沉没。
在“大和号”巨型战列舰(旗舰)上，山本海军大将对战局奇怪地抱乐观态度。战斗刚刚开始就损失了4艘最好的航空母舰，虽然山本一时被弄得目瞪口呆，但他仍然命令阿留申群岛的第二机动部队和近藤海军中将的第二舰队，火速赶到中途岛西北面海域，与主力会合。他企图在一昼夜多一点的时间里，集中一支配有几艘轻型航空母舰和“凤翔号”舰空母舰的兵力。“飞龙号”沉没后，日本人的飞机数量与美国人仍不相上下。日本人并不认输，只是山本对集结这样一支大部队所需的时间估计太短：到6月5日上午，只有近藤海军中将的两艘战列舰与南云部队会合，而联合舰队司令长官率领的主力还相距很远。美国侦察机进行了范围广泛的侦察，并报告说日本部队还有4艘航空母舰。天黑以后，斯普鲁恩斯非常谨慎地命令他的2艘航空母舰东撤，防止被日本人击沉。
6月5日凌晨2时55分，山本终于向中途岛入侵部队下达了撤退命令，承认了日本部队的失败。(在这以前，他曾命令北方警戒部队继续按原定计划攻击阿留申群岛。)发现日本人开始撤退后，美国航空母舰开始追击。由于空中侦察情报不准确，美国人错过了进一步重创日本部队的机会。斯普鲁恩斯和弗莱彻虽感失望，但他们还是取得了太平洋战争中最重要的一次胜利，赢得了很高的荣誉。
拂晓，“约克城号”仍在漂浮。守护在一旁的驱逐舰报告说，“约克城号”仍有得到拯救的可能。美国人派一艘舰队扫雷舰拖航。一整天，几艘驱逐舰在一旁待机。第二天凌晨2时，另外3艘驱逐舰开来。4时，“哈曼号”驱逐舰靠在“约克城号”舷侧，为排水提供动力。这艘航空母舰慢慢开始扶正，大火也被扑灭了。13时30分，日本“伊-168号”潜艇突然出现。潜艇发射了4条鱼雷，3条命中了“约克城号”右舷，一条命中了“哈曼号”。“约克城号”没有很快沉没，6月7日拂晓还在海面漂浮，5时过后才沉入海底。
中途岛海战的意义是深远的。日本人虽然没有输掉整个战争，却受到了一次沉重打击。据说，日本大本营有好几个星期都感到绝望，担心美国空袭日本本土。航空母舰损失惨重，飞机至少损失了260架，有近半数飞行员丧生。这些损失也许能够得到弥补，但是，陆军和海军之间已经产生了一道裂痕。当这种损失的严重性变得越来越明显的时候，陆军还在扩大战争，好象中途岛海战没有发生过一样。这种事态潜移默化，使日本海军也受到影响，在该休整和重振旗鼓的时候，反而进一步拉长了战线。对美国人来讲，中途岛海战显然是一次战略上的胜利。他们在珊瑚海海战中损失了“列克星敦号”，在中途岛海战中又损失了“约克城号”，但是，埃塞克斯级新型航空母舰的首制舰不久即将竣工。山本海军大将最担心的事情已经发生，这场决定性的战斗没有摧毁美国舰队主力，而现在，一场工业生产战争即将开始，从长远来看，日本人在这场工业生产战争中必败无疑。
事实上，还有两次名符其实的航空母舰之间的战斗。一次是1942年8月24日东罗所门海战，另一次是同年10月26日圣克鲁斯海战。这两次海战，都是日本陆军执意要占领所罗门群岛引起的。日本人占领所罗门群岛的企图引起了一场非常残酷的瓜岛争夺战[校者注：即瓜达尔卡纳尔岛争夺战，下同]。上述两次海战，是为占领这块地方而进行的争夺战的一部分。在东所罗门海战中，日本“龙骧号”航空母舰被击沉，美国“企业号”航空母舰受伤。同中途岛海战一样，美国人制止了日军的增援，赢得了战略上的胜利。8月31日，“萨拉托加号”航空母舰被一艘日本潜艇用鱼雷击伤，只好返回美国修理。9月15日，“黄蜂号”航空母舰也被鱼雷击中，引起航空汽油管路和消防总管破裂。“黄蜂号”毁于大火，不到半小时被迫弃舰，并沉没。有一段时间，美军在前线作战的只有“大黄蜂号”1艘航空母舰。在圣克鲁斯海战前两天，“企业号”重返舰队，美国才有2艘航空母舰对付南云的机动部队。(南云部队拥有“翔鹤号”、“瑞鹤号”、“瑞凤号”和“隼鹰号”4艘航空母舰。)日本人的最后一次胜利是，由俯冲轰炸机和鱼雷机协同攻击，击沉了“大黄蜂号”。“大黄蜂号”虽然跟它的姊妹舰“约克城号”一样经受住了大范围破损的考验，但为了不使它落到日本人手里，美国人只好将它击沉。事实上，是日本驱逐舰给了该舰致命的一击，用4条“长矛”鱼雷将它击沉的。
圣克鲁斯海战，日本人在战术上取得了胜利，他们只有“瑞凤号”和“翔鹤号”2艘航空母舰受伤。在瓜岛空战中，他们却不惜孤注一掷，结果损失了100多架飞机，绝大部分飞行员丧生。当1943年2月初瓜岛争夺战接近尾声的时候，战争形势明显地开始出现转折。美国海军损失了2艘航空母舰、8艘巡洋舰和14艘驱逐舰；日本海军航空兵损失了约1000架第一线飞机和其中的绝大多数飞行员。在瓜岛争夺战期间，这些损失远比瓜岛上的损失惨重。耐人寻味的是，日本海军的损失不是为了追求重大的战略目标，而仅仅是为了支援陆军作战。 
