«Энтерпрайз» начал принимать возвращающиеся самолеты в 12.37, и адмирал Спрюэнс приказал немедленно перевооружить и заправить максимальное количество пикировщиков, потому что понимал: исход сражения зависит от того, кто первым успеет нанести повторный удар. Силы противников выровнялись, двум японским авианосцам противостояли два американских. Однако, если адмирал Спрюэнс чуть ли не кулаками подгонял своих механиков и оружейников, забыв о своей скромности и сдержанности, то адмирал Нагумо, наоборот, колебался и медлил. Имея готовую к вылету ударную группу, он ждал неизвестно чего. Он разрешил поднимать ее только в 13.20. Группа состояла из пикировщиков «Акаги» и торпедоносцев «Хирю» под командованием лейтенанта Томонаги, их сопровождали 10 истребителей.
Гибель «Йорктауна» была неизбежной, однако он был отомщен. Как раз в то время, когда японские самолеты бомбили авианосец, его собственные разведчики обнаружили японскую эскадру. Это сделал лейтенант Адамс, который в 14.45 передал, что видит 2 авианосца, 2 линкора, 3 крейсера и 4 эсминца в 110 милях от «Йорктауна». Его сообщение подтвердил самолет, осматривавший соседний сектор.
По приказу адмирала Спрюэнса «Энтерпрайз» немедленно поднял только что подготовленные 24 пикировщика, а через 10 минут с «Хорнета» взлетели еще 16 «Доунтлессов». Все истребители Спрюэнс решил оставить при авианосцах, опасаясь повторения истории с «Йорктауном». В конце концов, «Медленный, но смертоносный» уже успел показать, что может постоять за себя и не будет беспомощной жертвой японских истребителей, если только они не получат большое численное превосходство. Решение, скажем откровенно, авантюрное, но, как показали дальнейшие события, оправданное.
И буквально через считаные минуты после этого появились японские самолеты. Наверное, они могли прилететь раньше, однако ударная группа потеряли около получаса, пока кружила над медленно тонущим «Йорктауном». Лишь когда Томонага убедился, что этот авианосец обречен и не требуются новые удары, чтобы добить его, он разрешил поиски других кораблей. Это промедление оказалось роковым.
В 15.10 японские самолеты атаковали корабли Оперативной Группы 16. Радар давно засек их, и адмирал Спрюэнс успел поднять все наличные истребители, японцев встретил довольно сильный воздушный заслон — около 40 истребителей с трех авианосцев, включая оставшиеся бездомными самолеты «Йорктауна». И хотя американцам удалось сбить большую часть атаковавших самолетов, несколько пикировщиков и торпедоносцев прорвались к цели. Они выбрали целью «Энтерпрайз», который в итоге получил 2 бомбовых и 2 торпедных попадания. Его раны были не столь тяжелы, как у «Йорктауна», однако корабль все равно временно лишился хода. Потери японцев оказались значительными — были сбиты 10 пикировщиков, 10 торпедоносцев и 5 истребителей. Кстати, в ходе этих двух атак погибли 3 из 4 командиров эскадрилий ударных самолетов: капитан-лейтенант Мурата, лейтенант Кобаяси лейтенант Кикути. Но самым тяжелым ударом стала гибель командира авиагруппы «Хирю» лейтенанта Томонаги Уцелел лишь командир эскадрильи пикировщиков «Акаги» капитан-лейтенант Тихая.
Следующий удар нанесли американцы, группа пикировщиков «Энтерпрайза», которой командовал лейтенант Бест. Он изо всех сил жаждал реабилитировать себя за неудачную атаку «Акаги», такая возможность ему представилась. Воспользовавшись рваной облачностью, пикировщики подобрались незаметно к Кидой Бутай, которое сейчас отходило на северо-запад. Снова японцы увидели американские самолеты, лишь когда те начали пикирование. Лишь пара коротких очередей раздалась навстречу «Доунтлессам», после чего загремели взрывы.
Первая же бомба, которую сбросил сам Бест, взорвалась перед мостиком, осколки стекла хлестнули по лицам адмирала Нагумо и капитана 1-го ранга Аоки, «Акаги» на какое-то время потерял управление, и это спасло его от следующих трех или четырех бомб, которые взорвались в воде. Однако судьба «Акаги» уже была предрешена, потому что «целый поток самолетов обрушился на авианосец», как писали сами японцы. Одна за другой еще 7 бомб превратили полетную палубу в нечто, напоминающее лунный пейзаж — воронки и дымящиеся обломки. Удивительно, но в первый момент огня никто не видел, только клубы густого черного дыма. Однако не прошло и пяти минут, как пламя поднялось над авианосцем сплошной стеной. Таких повреждений еще не получал ни один из японских кораблей, носовая часть ангара «Акаги», куда пришлись 5 попаданий, была просто снесена в море, мостик превратился в ловушку среди моря огня. Практически сразу стало понятно, что спасти флагманский авианосец не удастся и нужно спасать команду. Последним сигналом Нагумо передал командование авианосным соединением адмиралу Ямагути, который держал флаг на «Хирю». Кажется, адмирал так и не успел узнать, что это приказание было напрасным. «Зеро» атаковали пикировщики, когда те выравнивались над самым морем, в тот момент, когда они были наиболее уязвимы. Японцам сопутствовал некоторый успех, так как погибли 6 пикировщиков, но этот успех пришел слишком поздно.
Подошедшие пикировщики «Хорнета» атаковали последний японский авианосец. Японская тактика отражения воздушных атак сработала против них — свободное маневрирование увело «Акаги» слишком далеко от «Хирю», и истребители, собравшиеся над флагманским авианосцем, не успели прикрыть «Хирю». 5 бомб вспороли носовую часть полетной палубы авианосца как ножом. Силой взрыва плиту носового элеватора подбросило высоко вверх, и она с лязгом рухнула обратно. Над «Хирю» поднялся высокий столб дыма, отмечая место еще одного погребального костра.
Вернувшиеся после атаки японские самолеты были вынуждены садиться на воду, но их экипажи были спасены кораблями сопровождения. Американцам в этом плане было легче, адмирал Спрюэнс по радио приказал пикировщикам «Энтерпрайза» садиться на Мидуэе, чтобы они не мешали борьбе за живучесть. SBD «Хорнета» вернулись на свой корабль.
Все попытки японцев спасти поврежденные авианосцы оказались тщетными, «Сорю» и «Кага» затонули почти одновременно около 19.00. «Акаги» мучился немногим дольше и, брошенный командой, затонул где-то около полуночи. Сразу вслед за ним в 00.45 отправился на дно «Йорктаун». «Хирю» продержался на воде до самого утра, пока работали машины. Но сильные пожары отрезали машинные отделения от верхней палубы, вентиляторы засосали внутрь массу дыма, и машинная команда просто угорела. «Хирю» потерял ход, пожары на нем не ослабевали, поэтому в 04.35 адмирал Абэ приказал добить его торпедами.
Однако на этом сражение еще не завершилось. Поздно вечером адмирал Абэ, принявший командование остатками Кидо Бутай, приказал подводной лодке I-168, патрулировавшей возле атолла, отправляться на поиски поврежденного американского авианосца, указав координаты места атаки Томонаги. «Энтерпрайз» действительно находился там, так как взрывы торпед слишком сильно повредили паропроводы, а попытка буксировать корабль не удалась. На рассвете 6 июня I-168 после долгого маневрирования сумела подобраться вплотную к поврежденному кораблю и всадила в него еще 2 торпеды. Третья торпеда досталась эсминцу «Хьюз», стоявшему у борта «Энтерпрайза». Адмирал Спрюэнс, который после повреждения авианосца перешел на крейсер «Нортгемптон», приказал «Хорнету» вместе с кораблями сопровождения уходить в Перл-Харбор. За это решение его позднее резко критиковали, так как он не использовал возможность безнаказанно поохотиться за японскими кораблями. Однако нам оно представляется справедливым, так как у него осталось слишком мало самолетов, и никто не мог гарантировать, что возле Мидуэя не появятся новые японские авианосцы из числа тех, что участвовали в операции.