Во время этой атаки были сбиты 3 японских истребителя и 13 пикирующих бомбардировщиков. Уцелевшие пилоты сообщили адмиралу Ямагути, что американский авианосец окутался дымом и потерял ход. После этого Ямагути встретился с пилотом разведывательного самолета «Джуди», взлетевшего с «Сорю» и теперь севшего на «Хирю». Пилот объяснил, что у него сломалось радио, и он поспешил назад лично сообщить, что соединение противника состоит из 3 авианосцев, а не одного, как сообщил самолет «Тонэ». Адмирал Ямагути быстро организовал новую атаку. К взлету были подготовлены 6 истребителей и 10 торпедоносцев (2 истребителя были с «Кага» и 1 истребитель с «Акаги»). Командовать ударной группой должен был лейтенант Ёити Томонага, руководивший утренним налетом на Мидуэй. На его собственном самолете был поврежден топливный бак, и было ясно, что назад на авианосец Томонага не вернется. Самолеты начали взлетать с «Хирю» в 12.45.
Тем временем аварийная партия «Йорктауна» предпринимала сверхчеловеческие усилия, чтобы дать авианосцу ход. В 13.40 были исправлены 4 котла, и раненный авианосец уже мог развить 20 узлов. Он уже возобновил полеты, когда радар одного из крейсеров засек японские самолеты в 40 милях от соединения. «Йорктаун», оторвавшийся от остальных американских кораблей немедленно поднял в воздух 8 «Уайлдкэтов» вдобавок к патрулирующей над ним четверке. 12 «Уайлдкэтов» атаковали противника, но не сумели остановить жаждущих мести японских пилотов. В 14.42 «Йорктаун» получил 2 попадания торпедами в левый борт. Взрывы разрушили топливные цистерны, заклинили руль и вызвали крен 17º, который через 20 минут увеличился до 26º.
Капитан 1 ранга Букмастер, опасаясь, что авианосец может перевернуться, в 15.00 приказал уцелевшим 2270 морякам покинуть корабль. 4 эсминца подошли, чтобы снять команду, остальные корабли сопровождения продолжали наблюдение за воздухом.
Ирония судьбы заключается в том, что, когда «Йорктаун» был атакован, его собственные самолеты помогали расправиться с противником, нанесшим роковой удар. Около 11.00, после атаки «Акаги», «Кага» и «Сорю» адмирал Флетчер приказал выслать 10 «Доунтлессов» с «Йорктауна» на поиски японского авианосца (ведь разведка сообщала, что их будет 4 или 5). Один из этих разведчиков сообщил, что видит неповрежденный «Хирю» под прикрытием 3 линкоров, 3 крейсеров и 4 эсминцев примерно в 110 милях от «Йорктауна». Сообщение немедленно передали адмиралу Спрюэнсу, и тот в 15.30 отправил с «Энтерпрайза» ударную группу в составе 14 «Доунтлессов» «Энтерпрайза» и 10 «Доунтлессов» «Йорктауна». Пикирующими бомбардировщиками командовал лейтенант Уилмер Э. Галлахер, командир разведывательной эскадрильи «Энтерпрайза». Пикировщики полетели одни, так как все уцелевшие истребители были оставлены на авианосце, чтобы защищать его от возможных воздушных атак. (4 июня только истребители «Йорктауна» участвовали в боях. Один из них был сбит во время атаки японских авианосцев, а 4 – при патрулировании над собственным авианосцем.) Лейтенант Галлахер заметил «Хирю» в 17.00.
У адмирала Ямагути остались только 6 истребителей, 5 пикирующих бомбардировщиков и 4 торпедоносца, которые опытные механики сумели подготовить к новому вылету. Ямагути решил произвести в сумерках третью атаку и готовил к вылету разведывательный самолет, когда были замечены самолеты «Энтерпрайза». Несмотря на отчаянные маневры, в «Хирю» попали 4 бомбы и 4 взорвались рядом с кораблем. Одна бомба разнесла носовой элеватор напротив мостика, другие вызвали неконтролируемые пожары. Ценой 2 SBD, сбитых во время атаки, и еще одного, упавшего в море от нехватки топлива, последний японский эскадренный авианосец, участвовавший в бою у Мидуэя, был тяжело поврежден.
К этой последней атаке японских авианосцев присоединились несколько «Летающих Крепостей», но их вклад ограничился пулеметным обстрелом горящего «Хирю». Это и стало единственным реальным вкладом 21 бомбардировщика ВВС в победу. Последнюю атаку в этот день произвели 16 «Доунтлессов» «Хорнета». Они нашли объятый пламенем «Хирю» и атаковали корабли сопровождения, но безуспешно. 6 SBD и 5 SB2U морской пехоты тоже вылетели с Мидуэя, чтобы атаковать горящий авианосец, однако не нашли противника.
Пять авианосцев потоплены
Первый авианосец Нагумо ушел под воду 4 июня в 19.20. Им стал «Сорю», который унес с собой тела 718 офицеров и матросов.
Потом наступила очередь «Кага». Пожары, начавшиеся утром после атаки американских пикирующих бомбардировщиков, охватили весь авианосец, и в 16.40 старший помощник приказал команде оставить корабль. Однако через 2 часа пламя немного стихло, и аварийная партия вернулась на авианосец, чтобы попытаться спасти его. Но все усилия были напрасны, и люди снова покинули корабль. В 19.25, после двух сильных взрывов не то бомб, не то бензина «Кага», разломился и затонул вместе с телами 800 человек команды.