Один из японских пилотов сообщил, что видит в соседней бухте 5 или 6 американских эсминцев. После этого сообщения адмирал Какута поднял вторую волну, состоящую из 9 истребителей, 6 пикирующих бомбардировщиков и 6 торпедоносцев, вооруженных бомбами, а также 4 разведывательных гидросамолета с крейсеров. Плохая погода вынудила вернуться и эти самолеты. Однако 3 возвращающихся пилота все-таки сумели найти противника и обстреляли оказавшуюся на поверхности американскую подводную лодку.
4 гидросамолета натолкнулись на 2 армейских истребителя. 1 японский гидросамолет был сбит, второй поврежден. Этот короткий бой произошел прямо над новой базой ВВС на острове Умнак, однако низкие тучи скрыли взлетную полосу от японцев.
После того как первая волна относительно удачно отбомбилась по Датч-Харбору, на обратном пути произошло событие, оказавшее серьезное влияние на дальнейший ход военных действий на Тихом океане. Один истребитель «Зеро», поврежденный над Датч-Харбором, был вынужден сесть на остров Акутан. На японских картах этот остров был обозначен как место вынужденной посадки поврежденных самолетов. Позднее подводная лодка должна была забрать всех оказавшихся там пилотов. Истребитель сел, но на пробеге скапотировал. Пилот погиб, ударившись головой о приборную доску. Позднее этот «Зеро» был найден американцами и перевезен в Соединенные Штаты. Это был первый практически исправный «Зеро», попавший в руки американцев.
Корабли адмирала Какуты медленно двигались к Датч-Харбору, принимая самолеты. Последний самолет сел, когда японское соединение находилось всего в 100 милях от Датч-Харбора. Около 15.00 адмирал Какута повернул на юго-запад, все еще не обнаруженный американскими самолетами, совершавшими разведывательные полеты в радиусе 550 миль. В этот день разбился еще один разведывательный гидросамолет с японского крейсера.
Прогнозы метеорологов предсказывали, что 4 июня погода над Датч-Харбором будет плохой, поэтому в течение ночи 3/4 июня адмирал Какута двигался на запад, заправляя топливом эсминцы и готовя высадку на острова Адак и Атту, намеченную на следующий день. Утром опустился густой туман, а метеорологи предсказывали, что на западе стоит еще более скверная погода. Прогнозы из Токио обещали вероятное улучшение видимости над Датч-Харбором, и адмирал Какута повернул свои корабли назад. 2 «Кейта» взлетели с «Рюдзё», чтобы произвести разведку погоды. На основании их донесений были подняты 15 истребителей, 11 пикировщиков и 6 торпедоносцев. Так как погода была переменчивой, в налете приняли участие только лучшие пилоты обоих авианосцев.
Пока японские самолеты летели к Датч-Харбору, американские самолеты наконец обнаружили авианосцы противника. Сначала одинокий В-26 заметил японские корабли и сбросил торпеду так близко от «Рюдзё», что она пролетела над авианосцем и упала в воду с другого борта. Пилот ушел от зенитного огня, вернулся на базу, загрузился бомбами и снова взлетел, но на сей раз японских кораблей не обнаружил. Его самолет разбился во время возвращения на аэродром. Затем несколько В-17 обнаружили японские корабли, однако их бомбы не причинили японцам никакого вреда. Один бомбардировщик был сбит, из 10 человек экипажа спасся лишь один, который попал в плен к японцам. Последнюю в этот день атаку провели несколько В-26, вооруженных торпедами, но попаданий не добились.
32 японских самолета, взлетевших для атаки Датч-Харбора, снова нашли над городом хорошую погоду. Их бомбы снова нанесли серьезные повреждения береговым сооружениям. 4 новые нефтяные цистерны вместимостью 6666 баррелей были взорваны. В гавани была потоплена плавучая казарма. Американцы понесли большие потери в личном составе.
На обратном пути 4 японских истребителя и 4 пикирующих бомбардировщика встретились над все еще не обнаруженной взлетной полосой на острове Умнак. С аэродрома взлетели 8 истребителей Р-40 и сбили 2 «Зеро» и 2 «Вэла». Один американский истребитель был сбит, а еще один разбился при посадке. В результате за 2 дня операции японцы потеряли 9 самолетов.
Во время атак 4 июня адмирал Какута получил приказ адмирала Нагумо отложить операцию на Алеутских островах и следовать на юг, чтобы соединиться с авианосцами Нагумо к северу от Мидуэя. Северное соединение повернуло на юг, но в 19.30 Ямамото приказал продолжать операцию. Авианосцы должны были держаться в 600 милях юго-западнее Кыски. К «Дзуньё» и «Рюдзё» присоединился легкий авианосец «Дзуйхо» и несколько других кораблей из состава Соединения вторжения. Сформированное авианосное соединение с 7 по 17 июня крейсировало к югу от Кыски в надежде уничтожить какой-нибудь американский авианосец, который будет послан к Алеутским островам. Позднее соединение было усилено авианосцем «Дзуйкаку» с кораблями сопровождения, однако новый бой так и не состоялся. Проводились лишь тренировочные полеты. 7 июня японцы, не встретив сопротивления, высадились на Кыску и Атту. Единственными американскими солдатами на этих островах были 10 безоружных метеорологов на Кыске.