Выдвинувшись в место предполагаемого нахождения американской эскадры, они обнаружили «Йорктаун», но и сами были замечены радиолокационной установкой. В 11:59 двенадцать американских истребителей перехватили их, навязали бой и сбили почти половину из них. Однако половина - это еще не вся авиагруппа, тем более уж почти половина. Восемь пикирующих бомбардировщиков благополучно прорвались к авианосцу и сбросили бомбы, три из которых угодили точно в цель. Две из них прошли через полетную палубу и взорвались на ангарной палубе, вызвав пожар среди находившихся там самолетов. Третья взорвалась в дымовой трубе, и погасила этим топки котлов. На некоторое время «Йорктаун» потерял скорость, однако весьма быстро пожары и повреждения были локализованы, и к 13.50 поврежденный авианосец спокойно давал 19 узлов. Пожар на ангарной палубе также был потушен, авианосец вновь начал прием и выпуск самолетов.
Еще девять минут спустя субмарина «Наутилус», которая все утро пыталась отыскать противника, обнаружила борющийся с последствиями налета американцев «Сорю». Несмотря на охранявший его эскадренный миноносец, подводная лодка атаковала японский авианосец, поразила его тремя торпедами и благополучно ретировалась.
Эта атака добила «Сорю». Хотя он и продержался на плаву до семи часов вечера, огонь и вода из пробоин сделали свое дело - в 19:10 корабль тайса Янагимото Рюсаку лег на борт и затонул. Находившийся рядом с ним «Кага» пережил своего собрата ненадолго: пятнадцать минут спустя после гибели «Сорю», на продолжавшем борьбу с пожарами корабле взорвались цистерны с бензином и он тоже отправился на дно морской пучины.
Это, однако, произошло позже, пока же оба авианосца еще продолжали бороться за жизнь, а «Хирю» - за победу. В 14:27 американцами была обнаружена вторая группа самолетов противника, надвигавшаяся на «Йорктаун». Бомбардировщиков в ней не было, она состояла из истребителей и торпедоносцев. Американцы вновь пошли на перехват и в новой ожесточенной стычке их истребители сбили большую часть атакующих авианосец самолетов, но пять из них все же успели сбросить торпеды. С двумя из них «Йорктауну» разминуться не удалось - они угодили ему в борт. На авианосце разорвало обшивку корпуса, машины остановились, образовался крен, который продолжал увеличиваться. В 15:00 экипаж покинул потерявший ход корабль, из борта которого валил дым, и адмирал Браун двинул свое 17-е оперативное соединение на восток, оставив авианосец на волю ветра, волн и эсминца «Хамманн», капитану которого было поручено добить авианосец торпедами, если потребуется, но не дать японцам захватить его.
Пока торпедоносцы и бомбардировщики с «Хирю» атаковали «Йорктаун», самолет-разведчик с этого авианосца обнаружил сам «Хирю» (который теперь отходил на северо-запад) и прикрывавшие его два линкора, три крейсера и четыре эсминца. «Саратога» и «Хорнет» немедленно выслали к нему свои эскадрильи пикирующих бомбардировщиков, которые к этому времени уже вернулись на авианосец, где приняли горючее и перевооружились, а так же почти все свои истребители для их защиты.
К 17:00 атакующие самолеты оказались в непосредственной близости от авианосца. Жалкие остатки армады истребителей, которая была у «Кидо бутай» в начале этого дня, попытались оказать сопротивление превосходящим силам противника, но были довольно быстро уничтожены, после чего бомбардировщики вошли в пике. Группа авианосца «Саратога» атаковала первой и добилась восьми попаданий в «Хирю» - последний из больших японских авианосцев, которые так успешно начали этот день.
Увидев, что «Хирю» сильно горит, бомбардировщики с «Хорнета» атаковали линейный корабль «Харуна» и крейсера «Тоне» и «Тикума» - эти, правда, безрезультатно.
Казалось, что на этом бой закончен, причем закончен победоносно, и адмирал Холси обеспечил США безусловное господство на море; хотя «Йорктаун» и был оставлен экипажем, «Саратога» и «Хорнет» не имели никаких повреждений. Господство американцев в воздухе означало и их господство в районе боевых действий, в связи с чем у Ямамото был только один путь - отступать. И именно тогда, когда авиагруппы американцев разворачивались к своим кораблям, Ямамото применил свой последний козырь: добравшиеся наконец-то к месту сражения «Секаку», «Щорс», «Рихтгофен», «Комсомолец» и «Цепеллин».
Теперь ситуация с атакой «Хирю» повторилась с точностью до наоборот: слабое истребительное прикрытие «Хорнета» и «Саратоги» не смогло долго сопротивляться Bf-109, Як-1 и Накадзима A6M2-N. И уже японские Аичи D3A, немецкие Junkers-87C и советские Су-2 заходили на штурмовку сквозь яростный зенитный огонь.
Впрочем, в штабе Нимица не зря сомневались в возможностях немецких и советских летчиков воевать на море. Если пилоты «Графа Цепеллина» имели хотя бы минимальный опыт реальной атаки морских целей, а пилоты истребителей и у немцев, и у русских были асами, воевавшими друг с другом еще в небе Испании, то штурмовики «Рихтгофена», «Щорса» и «Комсомольца» оказались подготовлены явно недостаточно (а уж о боевом слаживании между эскадрильями разных стран и вовсе речи не шло) и дружно промазали мимо американских авианосцев. Четыре из пяти попавших в «Хорнет» и «Саратогу» бомбы сбросили японцы.
Подошедшие вторым эшелоном торпедоносцы Накадзима B5N с восходящим солнцем или крестами на крыльях (15) и Р10-Т со звездами тоже не смогли нанести серьезного ущерба: японцами были потоплены два эсминца эскорта - немцы и русские, упорно рвущиеся к основным целям, потеряв по две трети своих машин все же смогли поразить «Саратогу» и «Хорнет». Каждому досталось по одной торпеде. На обоих авианосцах вспыхнули пожары, корабли потеряли часть хода, но, как и в случае с «Йорктауном» после первого налета, с повреждениями удалось справиться и оба корабля даже смогли принять часть своих авиагрупп. Большинству, самолетов, впрочем, пришлось совершить посадку на Мидуэй, поскольку Холси, опасаясь повторения атак, отдал приказ соединению отступать в Перл-Харбор.
«Акаги» и «Хирю» горели всю ночь, и к пяти утра экипажи покинули оба авианосца. Хотя они и остались на плаву, повреждения кораблей были чрезвычайно велики. Отбуксированные для ремонта, они так и простояли в доках до конца войны, а после заключения мира были сразу же сданы на слом. Впрочем, поскольку США не обладали точной информацией о степени их поврежденности, возможность их участия в последующих боевых действиях американцам, при составлении планов, приходилось учитывать, что довольно сильно сковывало их свободу действий.
«Йорктаун», оставленный 4 апреля в 15:00 оперативным соединением, после того как его покинул экипаж, следующим утром был найден небольшим американским буксиром «Вирео», высланным на помощь авианосцу из Перл-Харбора. Авианосец все еще находился под охраной эскадренного миноносца «Хамманн», не покинувшего его до последнего, несмотря на серьезную опасность быть обнаруженным и уничтоженным. Огня на авианосце не было видно, крен не увеличился, непосредственная опасность гибели отсутствовала. Совершенно спокойно, будто бы поблизости и не находилось множество вражеских кораблей, «Вирео» высадил на борт «Йорктауна» аварийно-спасательную партию, закрепил буксирный трос и оттащил авианосец к Перл-Харбору. Во время награждения экипажа буксира в Белом Доме, президент Рузвельт назвал этот эпизод «самой потрясающей наглостью в истории флота не только США, но и всего мира». Император Хирохито также высоко оценил доблесть этих моряков, наградив их, после окончания войны, высшими государственными наградами Японии.
Кто знает, удалась ли бы вообще эта спасательная операция, или нет (скорее всего - однозначно нет), если бы ранним утром этого дня вновь не отличился бы экипаж субмарины «Наутилус». На самом рассвете подводная лодка, до этого успешно удравшая от эскорта подбитого «Сорю», буквально напоролась на соединение Такаги, торпедировала «Комсомолец», отчего тот затонул в течение получаса, и вновь была такова. Эта атака вынудила авианосцы, вместо поиска находящихся поблизости американских кораблей, поспешить убраться из опасного района.
Последовавшая затем десантная операция на Мидуэй закончилась победой Японии (гарнизон удерживал оборону две недели, взлетно-посадочные полосы на нем за время боев пришли в полную негодность, так что аккуратность японских бомбардировщиков во время первого налета на остров пропала втуне), однако в целом ситуация на Тихом океане сложилась патовая: японцам, несмотря на победу, нечем было, после потери четырех из пяти больших авианосцев, наступать, а американцам, у которых все три авианосца нуждались в ремонте, нечем было контратаковать. Кроме того, обе стороны потеряли львиную долю обученных пилотов-палубников, и взять новых, в ближайшее время, было негде. При этом, в долгосрочной перспективе ситуация складывалась отнюдь не в пользу Японии: США сразу после Перл-Харбора заложили серию из двадцати четырех авианосцев типа «Эссекс», а соревноваться в скорости строительства кораблей и подготовки их экипажей японская промышленность с американской не могла. Германская программа развития флота, правда, предусматривала строительство больших авианосцев, но тоже отнюдь не в таком количестве и совсем не скоро, а модернизация недостроенного итальянского линкора «Империо» в авианосец также обещала быть долгой. О Советском Союзе и говорить не приходилось: владивостокский Дальзавод едва-едва справился с переоборудованием в авианосец и модернизацией двигателей старой калоши, к тому же потопленой «Наутилусом», а Судостроительный завод N 402 в Молотовске и эскортный-то авианосец строил черт знает сколько времени. Даже средний авианосец, вроде «Цепеллина», был для советской промышленности тяглом неподъемным. Полученный же СССР наконец, - всего за неделю до битвы при Мидуэе, - от шведов, после долгой подковерной борьбы с «лучшим другом советского народа» (как сам себя называл Гитлер) за обладание, французский авианосец «Беарн», интернировавшийся в Стокгольме, на поверку оказался таким барахлом, что посылать его куда-то за пределы Балтики смысла не было ровным счетом никакого. О трофейном же британском «Фуриоус» вообще и вспоминать не стоило: за время Зимней войны, кроме торпеды от U-61 и снарядов от «Кирова» ему досталось столько авиабомб, что ценность его ныне была равна ценности металлического лома.