此时，该舰已无力把左舷油舱的燃油收到右舷油舱，也无力向右舷隔舱注水，以恢复平衡。倾斜度眼看就要增大到26度，很有立即倾覆沉没的危险。因此，舰长于15时下达“全体舰员离舰”的命令。驱逐舰前来援救舰员。入夜，警戒舰只撤离，仅留“休斯”号驱逐舰担任警戒，一旦需要时将“约克城”击沉，以免被日军俘获。
“飞龙”号沉没
“飞龙”号舰载机的第二次攻击刚一结束，3小时前从“约克城”号起飞的一架侦察机就报告：“飞龙”号航空母舰在西偏北面约100海里处。”斯普鲁恩斯决定予以攻击。16时许，从“企业”号起飞24架轰炸机（其中10架原是“约克城”号的），从“大黄蜂”号起飞16架轰炸机，先后向目标飞去。但是，都没派战斗机护航，因为斯普鲁恩斯认为，必须用全部战斗机来保卫己方的航空母舰。
17时许，“企业”号的机群发现“飞龙”号。在它的南面还看到三个巨大的烟柱，这显然是另外3艘日本航空母舰的残骸还在燃烧。“飞龙”号上空有数架“零”式战斗机，它们击落3架美军轰炸机，但是“飞龙”号也被其余美机击中4颗炸弹。约过30分钟，当“大黄蜂”号的机群起到现场时，“飞龙”号已是烈火熊熊，无需再加以攻击了。这个机群随即前去攻击“飞龙”号的警戒舰只。
斯普鲁恩斯已将袭击“飞龙”号的情况向弗莱彻作了报告。这时，弗莱彻已从“约克城”号转移到“阿斯托里亚”号重巡洋舰上。斯普鲁恩斯报告完上述情况后请示说：“您对下一步的作战有何指示？”弗莱彻答复说：“按你自己的意图打。”这就是说，弗莱彻已将两个航空母舰编队的战术指挥权交给斯普鲁恩斯了。这是一个明智的决定。航空母舰的作战，还是从航空母舰上进行指挥为宜。因为指挥官能够根据返舰飞行人员的报告，立即查明敌情。“企业”号未受损伤，又有经验丰富的参谋，斯普鲁恩斯完全可以实施应付裕如的指挥。
在日本舰队旗舰“大和”号舰桥上的有关人员，得知“赤城”号、“加贸”号和“苍龙”号均已失去战斗能力时，无不大惊失色。但是，山本却认为没有理由放弃这次作战。因为根据他的判断，袭击日本航空母舰的飞机至少有一部分是岸基飞机。他仍然认为，战场上只有1艘美国航空母舰，“飞龙”号正在同它交战。因此，他决定继续实施中途岛登陆作战，仅把兵力部署作了一些变更。近藤海军中将所率领的第2舰队，已经奉命前去增援机动编队；进攻中途岛的登陆输送队，在未查明情况之前，暂向西北方向航进，阿留申方面的增援部队正向主力部队靠拢。
13时，山本收到一份电报，内容如下：“1艘美国航空母舰被“飞龙”号舰载机击伤起火，另有2艘美国航空母舰正与‘飞龙’号交战。”直到这时他才知道，美国舰队拥有3艘航空母舰。山本随即决定：对中途岛和阿留申两地的登陆作战暂停，并将角田率领的第2机动编队从阿拉斯加海域调回。他认为，把这些兵力集中起来，就可以用3艘航空母舰对付残存的2艘美国航空母舰。
在此期间，“飞龙”号准备出动残存的全部舰载机（俯冲轰炸机5架、鱼雷机5架、战斗机10架）进行夜袭。17时01分，“飞龙”号转向，顶风航行，舰载机已经开始离舰时，“企业”号的轰炸机前来袭击。半小时后，山本得知，他的第4艘航空母舰“飞龙”号正在燃烧中。
到这时，除“飞龙”号外，其余3艘日本航空母舰已经无救。几乎一直跟踪日本机动编队的美国“鹦鹉螺”号潜铤，约于10时30分发现水天线处有三个巨大烟柱，这就是燃烧中的日本航空母舰。刚过中午，该潜艇驶近“加贺”号，并发射三条鱼雷。其中2条从目标旁边通过，1条命中，但未爆炸。可是，“加贺”号并未幸免于难。19时25分，该舰因爆炸而葬身海底。几乎与此同时，“苍龙”号也步了“加贸”号的后尘。“赤城”号和“飞龙”号还在海上漂浮，到次日晨，日本驱逐舰用鱼雷将其击沉。
中途岛夜战（6月4日）
“约克城”号航空母舰已被放弃，舰载机损失严重。鱼雷机无一幸存，轰炸机和战斗机也受到很大损失。然而，日军用以夺取制空权以及制海权的飞机，也同样已经荡然无存。而制空权却转到疲惫不堪的“企业”号和“大黄蜂”号的飞行人员手中。6月4日的战斗已经决定了中途岛海战的胜负。但是，参加战斗的大多数指挥官还不能立即作出这样的判断。如果斯普鲁恩斯的判断稍欠妥当，海战的高潮可能向后推迟，其结果也许会截然不同。
4日，从白天到夜晚，中途岛上的美军官兵一直在焦虑不安地关注着海战的发展。他们没有得到关于美国航空母舰获胜的确实消息，仅仅知道中途岛的岸基飞机遭到严重损失，因而觉得未必能给予敌人以重创。这天下午，B…17型轰炸机分成几组，前去攻击日军的机动部队，但是无一命中。海军陆战队得知，在中途岛西北200海里处有1艘航空母舰正在燃烧，则派残存的11架俯冲轰炸机于19时出击。但因下雨，云层很低，未能发现目标。几乎与此同时，还派11架鱼雷机前击攻击这艘正在燃烧的航空母舰，但也因下雨没有找到目标。这一整夜，基地的其他飞机都靠人力进行加油，积极作好抗击日军登陆的堆备。约于次日1时30分，一艘日军潜艇炮击中途岛，人们以为日军即将开始登陆。
山本企图挽回败局
在联合舰队旗舰“大和”号上的山本，仍然不想放弃歼灭敌舰队的计划。于19时50分，他向所属各部队发出如下电报：
1。 已被击败的敌舰队正向东撤退。
2。 附近海域的各部队准备追击残敌，同时，攻占中途岛。……机动编队、第2舰队及潜艇部队迅速搜索和追击敌人。
不知是山本错误地估计了形势，还是为了不挫伤日军的士气，他显然是决心至把这场海战继续下去。约至21时，山本命令“伊…168”号潜艇前去炮击中途岛，持续到次日2时，尔后由巡洋舰部队接替。
南云没有山本那种强烈的进攻精神。在战况发展顺利时，他发探了卓越的才能，但自旗舰“赤城”号被炸后，他却掩盖不住内心的动摇，并作出了错误的判断。21时30分，南云向山本报告：
敌全部兵力为航空母舰5艘、巡洋舰6艘、驱逐舰15艘，现正向西航进。我部除对“飞龙”号进行掩护外，正以15节航速向西北撤退。……
显然，南云打算继续退却。山本接到南云以同样情绪发来的第二封电报后，便发出如下命令：
机动编队除“赤城”号、“飞龙”号及其警戒舰只外，统由第2舰队司令官近藤负责指挥。
在关键时刻善于判断情况、当机立断的近藤海军中将，这时已率第2舰队前来与机动编队的残存兵力会合。他立即下令集结部队，准备实施夜战。预定参加夜战的兵力为：战列舰4艘、巡洋舰9艘和驱逐舰19艘。
然而，山本企图借以挽回败局的这次夜战是注定打不成的。因为担任美海军部队战术指挥的斯普鲁恩斯已经决定夜间向东航进。对此，他曾作过如下说明：
一方面，我认为不应冒险与可能居于优势的日军部队进行夜战；另一方面，我希望第二天早晨别离中途岛太远。我部队所在的位置应该是，既便于追击退却之敌，又能粉碎日军对中途岛的登陆。另外，附近海面也许还有日本航空母舰与其登陆编队一起行动，或者在西北海面仍有出现第5艘航空母舰的可能性。
到了深夜，山本才不得不正视现实。在该海域，至少有2艘美军航空母舰仍具有作战能力。因为这些军舰已经向东撤退，所以，日军的水面舰艇与之交战的希望是难以实现的。如果日军的水面舰艇部队继续东进，拂晓后，山本所率舰只必会遭到美军航空兵的突击。因此，日本于5日零时15分命令尚未集结完毕的近藤率领的突击部队与主力部队会合。2时55分，山本无可奈何地决定停止中途岛作战，命令全军向西撤退。
6月5日的追击
日军潜艇对中途岛的炮击敲响了日军的“丧钟”，而不是演奏进攻的序曲。但是，日军于6月5日凌晨的炮击，却使美军未能及时作出合乎实际的判断，致使5日的追击不利，未获战果。
斯普鲁恩斯认为，日军已损失4艘航空母舰，不会再试图实施登陆作战，但是，也不能忽视这种可能性。2时15分，“红石鱼”号潜艇报告：在中途岛以西约90海里处发现“敌我不明舰船多艘”。斯普鲁恩斯随即向上级报告：“日军可能要进行登陆作战，因此，我部将以25节航速向中途岛以北航进。”在珍珠港的太平洋舰队潜艇部队指挥官罗伯特·英格利希海军少将也作出相同的判断，遂令其潜艇后退，撤至离中途岛5海里的海域。这样，美军部队的机动就与追击方向背道而驰了。
“红石鱼”号潜艇所报告的“敌我不明舰船”，就是前来接替“伊…168”号潜艇炮击中途岛的4艘巡洋舰和2艘驱逐舰。“红石鱼”号报告后不久，上述日舰便因接到山本的撤退命令，而转向返航了。日舰转向返航后，其了望哨发现“红石色”号潜艇。在规避这艘潜艇时，日重巡洋舰“最上”号和“三隈”号相撞。“最上”号舰首破损，“三隈”号油舱破裂，舰尾拖着一条油迹。凌晨，重巡洋舰“熊野”号称“铃谷”号向北撤退；已撞伤的2艘重巡洋舰，航速减慢，在2艘驱逐舰的护航下，继续向西航进。
天还未亮，美军指挥官就已判明，日军开始退却。一直跟踪日舰的“红石鱼”号潜艇约于6时报告：现已查明，蹒跚而逃的2艘军舰是“最上”型重巡洋舰，航向正西。根据中途岛基地派出的飞机于6时30分至8时之间的报告来看，在航空兵作战半径内只有少数几艘正在撤退的日舰。除在中途岛以西125海里处发现2艘受伤的巡洋舰（被误认为战列舰）外，还在西北175海里处发现“熊野”号和“铃谷”号2艘巡洋舰。此外，在西北约250海里处发现数艘日舰，其中包括1艘正在燃烧的航空母舰。这就是“飞龙”号航空母舰。此后不久，“飞龙”号即沉人海底，近藤海军中将率领的突击部队则向西急进，前去与山本的主力部队会合。
根据“在中途岛以西发现战列舰”的报告，海军陆战队仅存的12架俯冲轰炸机立即从中途岛出击，沿着清晰可见的重油油迹向前飞行，8时许发现2艘巡洋舰，并实施攻击。炸弹没有击中目标，但是一位飞行分队长理查德·弗莱明上尉驾驶燃烧着的飞机，冲向“三隈”号巡洋舰的后炮塔，给该舰以重创。日舰全神贯注地抗击这批飞机，因而没有注意从高空投弹的B…17型轰炸机。直到炸弹在日舰周围掀起水柱时，B…17型飞机才被发现。尽管如此，这些高空轰炸机仍然没有击中目标。
中午刚过，12架B…17型轰炸机从中途岛向西北方向飞去，前去攻击受伤起火的日本航空母舰。但在美机飞抵目标前，该舰早已沉没。这些轰炸机仅仅找到1艘所谓的巡洋舰，其实这是“谷风”号驱逐舰。这艘驱逐舰奉命留下守卫“飞龙”号航空母舰。“飞龙”号沉没后，它立即前去追赶主力部队，在返航速中遭到了美机的空袭。号称“飞行堡垒”的轰炸机，在上述两次轰炸中，投下80颗（每颗227公斤）炸弹，但无一命中，只有几颗近失弹。
6月5日拂晓，2艘美国航空母舰位于中途岛东北约130海里处。显然，日本舰队正在撤退，所以，斯普鲁恩斯必须在中途岛巡逻机所报告的几群日舰中选择一个适当的攻击目标。他选择了位于西北方向的日军舰群。该舰群虽然距离较远，但据侦察机报告，这个舰群含有2艘战列舰和1艘航空母舰。因为是远程攻击，所以斯普鲁恩斯命令各轰炸机只携带1颗227公斤的炸弹，以便能够最大限度地装载燃油。为了尽量缩短与日本舰队之间的距离，直到15时许，才命令舰载机起飞。若再推迟起飞时间，飞机就不能在天黑以前返回航空母舰，着舰时必须打开探照灯。但是，斯普鲁恩斯确信，这是追击第4艘日本航空母舰，因而决心冒这个风险。可是，舰载机所找到的仍然是“谷风”号驱逐舰，虽然对其进行了攻击，但是结果并不比陆军B…17型飞机好。返航的飞机着舰时，“企业”号打开了甲板灯和探照灯，“大黄蜂”号也是这样做的。虽然日本潜艇很可能埋伏在附近海域，但是斯普鲁恩斯更为关心的是飞行员的安全，因为大部分飞行员没有夜间着舰的经验。除1架外，其余飞机都安全着舰，落水的飞行员已由驱逐舰救起。
6月6日的最后攻击
6月6日拂晓，天朗气清，风平浪静，视野较远。拂晓起飞的“企业”号侦察机，就在该航空母舰西南约130英里处发现了“最上”号和“三隈”号2艘重巡洋舰。这时，风向西南，风力不大，对美国航空母艘非常有利，它可一面向目标接近，一面组织舰载机起飞和降落。
美机连续进行3次攻击，2艘日本重巡洋舰先后被击中数颗炸弹，担任护航的2艘驱逐舰也各中1颗炸弹。到第三次攻击前，美航空母舰仅离目标90海里，所以，飞行员能够同时看到美日两军的舰队。“最上”号尽管遭到猛烈的攻击，但还是蹒跚地回到了特鲁克。可是，此后一年多不能参加战斗。“三隈”号在遭到最后一次攻击后，未过几个小时就沉没了，约有1000名舰员也同归于尽。
6月6日晚，斯普鲁恩斯决定停止追击。这时，驱逐舰因油料所限，已经离去，他手下只剩4艘军舰了。据称，日军潜艇埋伏在这个海域，这样一支兵力较小的部队是难以保障安全的。飞行员们连续奋战3天，已很疲惫。斯普鲁恩斯认为，进入威克岛日军岸基航空兵的作战半径以内是不明智的。因为据他判断，日军准备进驻中途岛的飞机可能在威克岛上集结待命。于是，他率舰队转向东北航行，以便与油船会合，进行5月31日以来的第一次加油。
斯普鲁恩斯的深思熟虑，说明他具有卓越的才略。山本虽然分兵向西撤退，但他并未放弃在这次海战中对美国军舰进行回击的企图。因5日“谷风”号遭到美军袭击，6日“最上”号和“三隈”号又遭袭击，山本已经知道美国舰队正在追击。同时，他也能够根据这些情况判断出美国舰队的行动方向。6日中午前后，山本派出一支部队（巡洋舰7艘和驱逐舰8艘）向南航进。其任务有二：第一，掩护“最上”和“三隈”号撤退；第二，歼灭美国的航空母舰编队。这支掩护部队的指挥官已经作好6日夜战的准备。根据双方的航迹来看，如果斯普鲁恩斯的部队继续向西前进，日军的掩护部队就会获得夜战的机会。在此期间，山本的主力部队也为参加这次夜战向南运动。而且，为了加强威克岛的突击力量，日军航空兵已从马绍尔群岛北上。日本的残存兵力又集中起来。
“约克城”号沉没（6月7日）
6月4日下午，“约克城”号航空母舰的舰员弃舰后，除留下“休斯”号驱逐舰，负责守卫这艘已倾斜24度但尚稳定的航空母舰外，其他护航舰只均已撤离。5日晨，从“约克城”号左舷传来的机枪声，引起“休斯”号了望哨的注意。派出收容队前去救出2名负伤的水兵，并找到3册仓促离舰时失落的密码本。然而，谁也没有注意到，南云于这天上午从巡洋舰派出2架飞机前来搜索，其中