友永丈市本人没能看到这一切，他的飞机被一枚127毫米炮弹直接轰碎，其余15架飞机里也只有8架返回“飞龙号”。认定自己刚刚重创了第二艘航母的山口多闻大喜过望，他命令最后5架俯冲轰炸机、4架鱼雷机和6架战斗机做起飞准备，计划在夕阳西下之时发动最后一次进攻，消灭最后一艘完好的美国航母。
但他等不到那个时刻了。15点50分，始终保持戒备的斯普鲁恩斯终于从“企业号”上派出了24架SBD俯冲轰炸机。17点01分，他们以“苍龙号”浓烟滚滚的残骸为参照物，找到了“飞龙号”编队。在加拉赫上尉的带领下，24架“无畏”相继发起俯冲，目标直指精疲力竭的“飞龙号”。4枚454公斤炸弹几乎同时在该舰的飞行甲板前段爆炸，第一枚炸弹的气浪把前部升降机的天盖连根拔起、卷到了舰岛之前，阻断了连接舰桥和舰首的通道；另外3弹分别在左舷2号高射炮内侧、舰岛正前方和右侧爆炸，飞行甲板变得千疮百孔，钢板向上翻卷。大火很快点燃了飞行甲板上加满燃料的飞机，爆炸产生的碎片四下横飞，所有可以被点燃的东西都在往外冒火。“飞龙号”以28节的高速在海面上乱窜，大风裹挟着火焰向全舰蔓延，整艘军舰如同一头发疯的公牛。
美国人在最后的攻击中损失了3架SBD。当所有幸存的轰炸机都返回母舰之后，冷静的斯普鲁恩斯下令舰队转向东驶，远远地离开了战场。只有几架从中途岛飞来的B-17和老式的SB2U俯冲轰炸机还会偶尔光顾一下“飞龙号”，投下几枚荒腔走板的炸弹，仿佛在为这艘航母唱响最后的挽歌。
在300海里外遥远的西方，山本五十六正以惊讶的心情回味着接连传来的消息。当他在日出之后第一次接到“发现敌航空母舰”的电报时，所有的幕僚心情都很激动，认定南云一定会给对方致命一击。哪知3个小时后，等来的却是焦头烂额的南云从“长良号”发回的讣告：“由于10点30分左右遭敌机轰炸攻击，‘赤城号’、‘加贺号’和‘苍龙号’受到相当损坏，发生大火，以致失去战斗力。”山本一度寄希望于“飞龙号”，希望该舰能尽力消灭1～2艘美军航母。毕竟，他还有3艘巨大的、无与伦比的战列舰，如果“飞龙号”反击在先、主力部队增援在后，在6月4日夜间与美舰混战一番，或许还有翻盘的希望。但在“飞龙号”也被击伤的消息传来之后，山本终于下定了撤退的决心：如果他坚持向中途岛前进、却不能发现对手，黑夜过去之后，主力部队那些缺乏航空掩护的战列舰将暴露在斯普鲁恩斯的航母面前。他已经输掉了第一阵，没有理由再拿剩下的兵力冒险。经过一夜的思量，山本决定撤退。在此之前，他下令由驱逐舰击沉依然漂浮在海面上的“赤城号”和“飞龙号”，避免被美国人所俘虏。
6月5日凌晨4时许，有贺幸作大佐指挥的4艘驱逐舰向苟延残喘的“赤城号”发射了鱼雷。7分钟后，巨大的航空母舰缓缓向左倾覆，海水一层层地没过它的甲板，带着263名舰员沉入了水下。又过了15分钟，丧失动力的“飞龙号”也被友舰发射的九三式氧气鱼雷命中，向左严重倾斜。山口多闻少将和加来舰长拒绝了同僚的相劝，坚持要留在罗经舰桥内。太阳升起之后，他们和另外414名官兵随军舰一同沉没，消失在了中太平洋的海底。
中途岛之战最后的光荣属于“约克城号”。在被友永的攻击机命中两枚鱼雷之后，该舰一度已被放弃，但始终顽强地浮在水面上。美军于是又派出损管队上舰抢修，并由驱逐舰“哈曼号”护航，缓缓地向珍珠港撤退。6月6日下午15点36分，先前侦察过中途岛的日本潜艇“伊-168号”出现在编队附近，对两舰发射了4枚鱼雷，其中2枚命中“约克城号”，1枚命中“哈曼号”。伤痕累累的航母在海上又坚持了一整夜，最终没能创造奇迹。
6月7日清晨7点整，在绚丽的晨曦中，“约克城号”倾覆入水。赶来救援的驱逐舰均降下半旗，全体人员脱帽肃立，以这种方式向这艘以独立战争爆发地命名的巨舰告别。
弗莱彻失去了自己的旗舰，大西洋舰队司令英格索尔上将失去了自己的儿子。小罗亚尔·英格索尔是“大黄蜂号”上一位前途远大的青年军官，6月4日上午，当一架受伤的“野猫”式战斗机降落在航母飞行甲板上时，没有关上保险的机枪受震开火了，小英格索尔当场殉职。为了这场胜利，高级将领和普通士兵都付出了巨大的代价，所以更显得弥足珍贵。