在“企业号”上，斯普鲁恩斯和参谋们研究了“约克城号”遭袭意味着什么，并商量了对策。布朗宁得出了明显正确的结论：攻击“约克城号”的飞机是从麦克拉斯基的飞行员报告的那艘未遭创的日航母上起飞的。这位性情急躁的参谋长主张立即采取报复行动。斯普鲁恩斯则不想仓促上阵，贸然行动。第一，他的轰炸机尚未做好起飞准备；其次，他在等待接近预定地点的侦察机报告敌航母的确切位置。美国人没能发现敌人，却已消耗了足以投入一次作战的兵力。
斯普鲁恩斯如此小心谨慎，定会被山口嗤笑的，但他这次又作出了一项正确的决定。山口兵力的阵容是：以“长良号”为先导，“飞龙号”居于战列舰、巡洋舰和驱逐舰组成的防御圈之中心。13：20前，“飞龙号”及其护航舰艇一路向北航行。接着，山口派出攻击“约克城号”的第二波飞机，然后改变航向，朝东北航行。2如果美国人这时发动进攻，很可能就根本发现不了这艘日航母，也救不了“约克城号”。
在“飞龙号”舰桥上，山口和加来给即将率第二波攻击飞机起飞的友永、桥本和森茂海军大尉作最后指示：“不要再攻击那艘被小林机群击中起火的航母，攻击另外几艘航母。如果在那片海域没发现其他航母，那再攻击那艘航母。”山口司令官和三位领队握手。事隔多年，桥本仍记得山口那宽大柔软的手与他相握时的情景。
接着，山口和加来到飞行甲板上，亲自为参加第二波攻击的人送行。山口与飞行员们一一握手说：“望勇敢战斗。”说来也怪，想揣摩舰长心思的桥口得到的印象居然和早些时候久马得到的几乎丝毫不差：“我不会只让你们去牺牲的，你们先去，我马上就来。”
他们临起飞之前，飞行长的传令兵亮出一块标明敌舰队最新位置的小黑板。桥本把这个位置标在自己的航图上。他突然想起，应该问问友永是否了解这个情况，但由于忙着起飞，一时无暇问他。
据桥口说，参加攻击的飞行员都知道，此行基本上是有去无回的，但他们爬进机舱时个个面带笑容。眼下随友永出发的飞机与那天早上壮观的攻击机群相比显得何等寒碜！10架鱼雷机分2组，分别由友永和桥本率领。森茂率领随轰炸机出发的6架战斗机中，有4架原先是“飞龙号”上的，2架来自起火燃烧的“加贺号”。
友永的轰炸机上被打漏的油箱还没有来得及修补，所以他只加了一半燃油，不大可能再飞回航母了。但他坚持要率机出击，拒绝了别人要和他换飞机的好意。他这个人性情孤僻，从来不向别人吐露自己的思想感情。桥口对他佩服之至，也了解颇深。他的印象是，友永觉得是自己建议再度袭击中途岛，结果间接地造成了灾难性后果，自己是有责任的。桥口对友永飞机上的其他人产生了怜悯之情。这些人并无内疚之感，却要和友永一起去死。桥口说：“当时‘飞龙号’全体舰员，包括飞行员，都决心效忠天皇和帝国，因此我们对这一点考虑得不多。把生死置之度外的不仅是飞行员，实际上是舰上所有的人。”他还说，“我们决心击沉一艘敌舰，即使去撞也要把它撞沉。”
桥口对友永的动机也许估计得太浪漫了，因为桥本并没有这样的印象。他认为，友永的决定是出于以下几个实际因素：只剩下“飞龙号”尚能作战，现有的飞机数量很少，“哪怕只减少一架飞机，都会严重影响预期的攻击结果”。如果按报告的说法，敌人在大约100海里之外，那么即使飞机有伤，他也能飞回来，实际上友永就是这样对桥本说的。当时桥本要把自己的飞机让给友永飞，友永谢绝说：“敌人离得很近，我攻击之后还是可以返航的。”
从山口给几个领队飞行员的指示来看，只要可以攻击其他航母，他根本不准备再攻击那艘受创航母。各侦察机的报告纷至沓来，但互相矛盾，山口显然还是相信自己的飞机所报告的情况。“飞龙号”的轰炸机先前报告的是3艘航母和“22艘驱逐舰”。山口收到这份报告，有足够的时间向友永的部队作简单介绍。事实上，他于14：00曾向南云报告说：“据我舰载轰炸机报告，在自北向南长约10海里的洋面上有3艘敌航母。”
虽然可供选择的攻击目标是3艘航空母舰，但友永的机群径直扑向“约克城号”。桥本发现友永“正朝敌舰队原来的位置飞去”，知道友永没有收到关于敌舰队最新位置的报告。他想靠近友永的飞机，把情况告诉他，但没有办到，就只好作罢。好在两次报告中有关敌舰队的位置相去不远，只要“方向不错……”，他们或许还能发现目标……
“约克城号”的雷达发现33海里外的这批日机。该舰立即停止给战斗机加油，再次排干加油系统，用二氧化碳气将它封住，同时派出VF-3的6架战斗机，迎着敌机进行战斗巡逻。舰上的10架战斗机中，有8架的油箱里有23加仑油料，用来进行局部作战还是绰绰有余的。这8架飞机也被派去助战。另外，第十六特混舰队也派出一些战斗机。
“野猫式”在飞出将近15海里后截住了日机，随之发生的空战实际上是中午那场格斗的重演。6架零式机中，有3架被数量上占优势的F4F-4击落。1122岁的海军少尉米尔顿·图托尔第四，击落了一架鱼雷机。图托尔是密苏里州圣约瑟夫一位银行行长的儿子，上“约克城号”才5天。上午的战斗之后，他的“野猫式”还没有加油，这次又跳进了座舱，偷偷地去参战了。他刚飞离飞行甲板，就扑向一架鱼雷机的尾部。他咬住敌机，在离母舰1000码处向敌机猛烈开火。那架敌机还没来得及投下鱼雷就被击落。图托尔把机头向上拉的时候，却被己方炮火击中。幸亏他没有受伤，而且落在离护航舰艇很近的地方，很快就被“安德森号”驱逐舰救起。
舰上的高炮击落图托尔的时候似乎轻而易举，但对付低空飞行的日机却困难得多。重巡洋舰采用了波科·史密斯发明的新办法：用主炮对着鱼雷机前方的海面射击，掀起一串串倒挂的瀑布。由于“野猫式”的拦截和这些倒挂瀑布的阻挡，进入目标空域的鱼雷机只有5架。14：32，友永用无线电通知各机：“进入准备攻击的编队位置。”2分钟后他下令，“全体攻击！”攻击飞机当即分成两组，友永居右，桥本居左。
一架身分不明的日机（也许是“飞龙号”的，抑或是在附近活动的一架侦察机）电告机动部队：“我方攻击机群正在攻击敌航母。总共有3艘。”发报时间与友永下攻击令的时间相同。
在距“约克城号”约500米处，桥本从15米高处、与敌舰成正横的位置上投下鱼雷。他从航母舰首上方相当于飞行甲板的高度上飞过。他发现敌舰没有中弹迹象，也没有起火。但当他迅速飞离时看见了高高升起的水柱，接着便是滚滚的浓烟。
“约克城号”航速慢，仅有19节，但它仍然避让了两枚鱼雷。可是它的要害部位中了两枚鱼雷。14：43，第一枚鱼雷击中左舷近中部，几乎在同时，第二枚鱼雷中的，弹着点比第一枚鱼雷的略靠前。左舷燃油舱被炸坏，3个锅炉舱和前发电机房进水，造成停电。操控台发生短路，备用发电机无法送电。舰舵也出现故障，致使航母在那天下午第二次无法动弹，向左舷倾斜了17°。
“约克城号”继续倾斜。被第一枚鱼雷击中后大约10分钟后，它的倾斜已达到26°，在舰上站立都成了问题。左舷飞行甲板的边缘几乎已接触到海面，幸亏当时海面上风平浪静。奥尔德里奇和德拉尼两人都认为，倾斜已无法修正。由于停电，照明和舰内通话全部瘫痪，舰上各部位间的联系几乎完全中断。被炸坏的燃油舱淌出的油向倾斜的航空母舰各个部位蔓延，形成一层薄薄的、十分危险的油膜，哪怕一个小火星都能酿成席卷全舰的大火。舰上只剩下6架飞机。总而言之，作为一艘航空母舰，“约克城号”已经全然无用了。舰上的人员现在是唯一财富。
无论发生什么情况，要舰长作出弃舰决定都是一件非常困难、非常残酷的事情；巴克马斯特与阿诺德以及副舰长迪克西·基弗海军中校共同研究后，勉强作出了弃舰决定。巴克马斯特有责任在航空母舰倾斜超过平衡点之前把舰上近3000名官兵全部撤出。14：55，他下令升起蓝白色信号旗——“弃舰”。
“巴尔奇号”、“本汉姆号”、“拉塞尔号”和“安德森号”都靠上去接撤离人员过舰。其余舰艇担任反潜警戒。撤离进行得从容不迫、井然有序。在“阿斯托利亚号”的舰桥上，弗莱彻焦躁不安地观察这次撤离，觉得它太不紧不慢、按部就班了。他说：“我都急坏了，觉得巴克马斯特上校作出弃舰的决定已经太晚。”后来有些脱离实际的战术家们说巴克马斯特的决定草率鲁莽，而弗莱彻对他们的说法是无法容忍的。他回顾此事时仍坚持认为：“我本人在当时是真他妈的着急，想快点把人撤下来。在我看来，把军官和那些优秀的美国士兵救出来是至关重要的。”
从“约克城号”撤出伤员“极为困难，因为甲板上很滑，舰身严重倾斜，根本无法抬着担架从甲板上走。有时只好把担架放在甲板上拖，有时运伤员就靠肩背手抬”。伤员们被千方百计地从舰上轻轻地吊下去。舰艇上参加救援的人纷纷跳进海里，帮助不能游泳的。装货用的绳网、救生筏以及汽艇都用上了。
基弗随最后一批人员离舰。他负责撤离工作，在听了各方面报告并亲自进行检查，确信自己已圆满完成任务之后才撤离。有一个人不敢抓着打结的绳子向下爬，基弗就抓住绳子把他往下放。由于绳子滑动速度太快，基弗的双手被磨得火辣辣的痛。等轮到他攀绳而下时，他的手连绳子都抓不紧了。他从绳子上重重地摔下去，像铃舌一样撞在航母的侧面，双脚的踝骨都摔断了。
巴克马斯特一直在撤离工作的现场。直到确认各事均已就绪，他才离开指挥位置，到全舰上下最后检查一遍。毫无疑问，他是希望借此机会与这艘航母倾诉衷肠，默默地向它告别。他沿着倾斜的航母右侧艰难地向前走，穿过飞行甲板，往下通过包扎所，向前穿过将官休息室和舰长室，再转到左侧走下机库。这时，左舷机库甲板已泡在水里。他满意地看到活着的人已全部撤离，才爬上舰尾部，两手交替沿舷边向下攀爬。在接触水面时，他听见有人呼救，便朝那人游去，把一名在水中挣扎的炊事值勤兵托上救生筏，接着他自己也爬了上去。最后，“汉曼号”驱逐舰把他们送上了“阿斯托利亚号”。
14：45，望眼欲穿的弗莱彻和斯普鲁恩斯终于收到侦察机的报告。这是VS-5中队的作战军官塞缪尔·亚当斯海军上尉发回的报告，其准确性令人惊讶：“航母1艘、战列舰2艘、重巡洋舰3艘、驱逐舰4艘，方位北纬31°15′、西经179°5′，航向0°，航速15节。”亚当斯第一遍用明语直接报告，尔后又以摩尔斯电码形式复报一遍。据这份情报，“飞龙号”和南云的支援舰艇离11：50搜索组起飞时“约克城号”所在位置有110海里。敌实际位置在方位281°、距离72海里处，误差38海里。也算美国人走运，“飞龙号”正直冲着特混舰队驶来。
斯普鲁恩斯立即下令舰上所有能参战的俯冲轰炸机全部起飞。麦克拉斯基攻击“加贺号”时胳膊受了伤，这次未能参战，所以指挥混合机群的任务就交给了职务和资历仅次于他的VS-6中队的加拉赫。加拉赫所率领的飞机总共24架，其中11架载单重1000磅的炸弹，其余飞机载单重500磅的炸弹。除了他自己的飞机外，有5架来自VS-6中队，4架来自VB-6中队，其余14架都是“约克城号”VB-3副中队长沙姆韦海军上尉率领的。15：50，全部飞机都从“企业号”起飞，扑向目标。由于要优先考虑保卫特混舰队，所以没有派战斗机为之护航。
攻击飞机起飞后，斯普鲁恩斯给弗莱彻打信号说：“第十六特混舰队的机群现正攻击你部侦察机发现的那艘航母……对我还有何指示？”如此彬彬有礼的请示使弗莱彻必须作出抉择。他不能靠遥控对航母的战斗进行战术指挥，不能在信号通信、闪光通信和无线电联络这些繁文缛节上浪费宝贵的时间。他要么率参谋人员上“大黄蜂号”，要么授权斯普鲁恩斯。前者要花很多时间，等于彻底改组特混舰队。所以实际上他别无选择。他毫不计较个人得失，立即打信号说；“没有。同意你们的所有行动。”
这段时间正是山口春风得意之时。虽然他损失了包括友永在内的全部5架轰炸机，还有包括森茂在内的大部分零式机（返回的飞机只有3架），但他对两次空袭的战果仍很满意。他正打算把美国人的残兵败将统统消灭，一面忙着向南云报告，一面准备发动第三次攻击。“飞龙号”在海上劈波斩浪、往返驰骋。“长良号”上的舰员以及被救上舰的其他人看见它从旁边驶过，舰上所有飞机都作好了起飞准备时，他们齐声高呼：“‘飞龙号’，要报仇雪恨！”
15：31，山口向南云报告：“在与我试验13型舰载轰炸机取得确切联系后，我们计划用现存全部兵力（轰炸机5架、鱼雷机5架、战斗机10架）于黄昏时发起进攻以歼灭残敌。”山口的乐观似乎很滑稽可笑，其实不然，因为他确信他的飞机已击沉或重创了2艘美航空母舰。犯这种错误也在所难免，因为他的第一波攻击飞机报告说一艘航母起火，第二波飞机在空中又观察到一艘似乎并未受创的航母。16：00，山口向南云发信号，明确表达了自己的见解：“第二波攻击的结果：一艘‘企业’级航空母舰肯定中了两枚鱼雷（与上次报告说的被炸航母并非同一艘）。”
山口还有个把小时可以自我陶醉一下。16：45，加拉赫的机群发现了大约30海里外的“飞龙号”及其护航部队，同时发现南边地平线上升起的三柱浓烟。3217：01，“筑摩号”发现左舷方向有敌机，正好在“飞龙号”上方。这时山口的几架零式机匆忙起飞拦截。加拉赫当机立断，下令“企业号”的飞机随他一起攻击“飞龙号”，让沙姆韦率“约克城号”的14架飞机去解决附近的一艘战列舰。这项决定非常愚蠢，因为在主攻目标毫发未伤的情况下，他就把半数以上的攻击飞机调作他用了。加拉赫真不该那么走运。
在“长良号”上，牧岛把眼睛闭了起来，因为他实在不忍心再看了。加拉赫对准“飞龙号”浅黄色甲板上鲜红的圆圈直冲而下。飞行甲板的一号位上停着“苍龙号”的特别试验飞机。它刚完成首次侦察任务返航，正准备带领第三波飞机去攻击美特混舰队。“飞龙号”令人不可置信地来了个急转，加拉赫的瞄准扑了空。他努力想把炸弹扔下去，而不是让它们掉下去，结果扭伤了腰。他的炸弹落在“飞龙号”后边的海里，没造成任何破坏。随后两架飞机投下的两颗炸弹也没有中的。
沙姆韦发现这些炸弹近距脱靶，不等成命撤销就率领他的飞机，抛开战列舰，向敌航空母舰发起冲击。在当天战斗中，美军十分走运，这要再次归功于下级军官表现出的灵活反应和主动精神。究竟是像沙姆韦所说的由VS-3中队的飞机首先命中“飞龙号”，还是由VS-6的其他飞机首先命中，现已无法查明。
4颗炸弹相继击中舰首。第一颗炸弹把前升降机连根拔起，阻断了舰桥至舰首的通路。烈火蔓延，封住了通道，不断爆炸产生的碎片四下横飞。加来舰长进退维谷。为避免再度中弹，他只好全速前进，但由此而产生的风助长了火势向全舰蔓延。牧岛的好奇战胜了理智，当他睁开眼睛的时候，发现“飞龙号”从舰首至舰尾一片大火，但是它仍然“像头发了狂的牛一样拼命地奔跑”。
“飞龙号”的第三波攻击飞机原定由桥本率领。他在待命出击时抓紧时间打个盹。猛然间，“可怕的爆炸声震撼全舰”。刹那间，他就被令人窒息的浓烟所包围。舱盖被关闭，过道上挤满了从底舱爬上来的人。
又一声剧烈爆炸把军舰震得直晃。所有的灯都熄了。桥本憋得难忍，就朝着亮处跑去，想吸口新鲜空气。那亮处原来是个炸出来的洞。洞外一切都在燃烧。幸亏桥本戴着手套，才能从洞里爬出来。由于他没戴帽子，火星溅在头上，把头发都烧着了。旁边有个人递给他一个面具。尽管它烧得只剩下一半，而且上面全是灰，桥本却十分感激地把它接过来。
这时，副舰长命令他：“助理飞行长，指挥这里的人，趁这些悬吊的弹盾还没着火，把它们全都扔到海里去。”桥本全力投入这项工作以及随之而来的消防灭火。后来他左大腿负伤，也被撤了下去。
VB-6是向这艘航空母舰发动进攻的最后一批飞机。负责指挥的海军上尉贝斯特认为，有一颗命中的炸弹是他们投下的。其实这关系并不大，大家都是美国飞行员，一人立功，全体光荣。
沙姆韦率领的飞机中有两架冲向那艘战列舰。那是“榛名号”，它虽屡遭攻击，却能安然无恙。它似乎有张护身符，因为尽管攻击者施展了全部招数，结果只是像日本人所说的：两侧各挨了一颗“超近脱靶弹”。加拉赫腰部扭伤，疼痛不已。他损失了VB-3中队的2架SBD和VB-6中队的1架SBD，正待撤出作战空域，这时“大黄蜂号”7架VB-8的轰炸机和8架VS-8的侦察轰炸机一并赶到。这时的时间是17：12，“飞龙号”已是一团大火，无需再攻击了。于是“大黄蜂号”的这批飞机向“利根号”和“筑摩号”发起攻击。“利根号”舰首舰尾附近都落下了炸弹，最近的离舰50米。“筑摩号”避开了落在舰首左舷外100米处的集束炸弹。
正当“大黄蜂号”这批飞机俯冲攻击“利根号”时，从中途岛和莫洛凯岛飞来一批B-17，也向同一批目标发起进攻。虽然有些参战者确信他们命中了1艘航空母舰、1艘战列舰或重巡洋舰，但这批大型陆基轰炸机和早些时候一样，并无战绩。从日落至月出前，从中途岛起飞参加攻击的VMSB-241中队也毫无建树。6月4日的战事就此结束。