击已经不可能进行了，因为美军飞机的报复性打击已接踵而至。当南云舰队进到设伏海域时，美国舰队即通过侦察机的不断监视而掌握了日本舰队的动向，并做好了一切准备，静候着发起进攻的时机。对南云舰队实施报复性打击的，首先是从中途岛起飞的美机，其次便是从航空母舰上起飞的舰载机。7时10分，美军6架鱼雷机和4架轰炸机首次飞临日本舰队上空。在日舰防空火网和“零”式战斗机阻击下，轰击没有成功，10架飞机被击落7架，只有3架逃生。紧接着，美军17架“空中堡垒”式飞机飞来，它们只是存心扰乱，在6000米以上的高空向日舰投掷了各自携带的4吨炸弹，扔完后立即离去。它们虽然只在日舰附近炸起如林水柱，却给了南云沉重的思想打击。8时整，又有16架美机，再次冒死对日舰发动进攻，结果8架美机被打得喷烟坠海，而日舰仍安然无恙。
第一次对中途岛攻击不成功，美机不断对日舰队实行报复性打击，已使南云司令焦躁不安。接着，日军侦察机报告，在中途岛东北约200海里处，发现有美国舰队，似乎还有1艘航空母舰。这一消息，更使南云心急如焚。他最担心的可怕情况终于出现了。8时30分，南云忠一在再三踌躇和反复衡量后，终于下令：立即空出飞行甲板，收回第一批出击的飞机；同时全力作好攻舰准备，从原拟进行第二批出击的飞机上摘下炸弹，换装鱼雷，准备2小时后升空出击。但是，他们的动作仍是慢了一步，从美军“企业”号和“大黄蜂”号航空母舰上已经起飞116架各类飞机，从“约克敦”号航母上也起飞了35架飞机，庞大的机群开始一批批地向南云舰队猛扑而来。美机出击的时机，真是选择得再恰当不过了：由中途岛返回的最后一架日本飞机，在甲板上停落不过5分钟，美军的15架鱼雷轰炸机就逼近了。
激烈的战斗再次开始。从9时30分到10时24分，美机三批共41架，先后攻击了南云舰队。这些都是老式鱼雷机，在搜索日本舰队时失去了战斗机的护航，它们见到日舰以后，都不顾高射炮火网和“零”式飞机的拦截，勇敢地掠近海面，冲向日本舰队。当然，悲剧也随之出现了：41架美机竟有35架冒烟坠海，而且没有一弹命中目标。这是美国海军航空兵历史上最悲壮的一幕。但是，他们没有白白牺牲，为后来者创造了一个最佳的攻击机会。
10时24分，从“企业”号上起飞的37架俯冲轰炸机，乘日舰护航的“零”式飞机正拦截和追赶美鱼雷机而贴海低空飞行的机会，突然地呼啸着俯冲下来。它们分成两批，把一颗颗重磅炸弹投向敌舰。转瞬之间，南云中将的旗舰“赤城”号航母连中两弹。一颗将该舰的升降机炸烂，另一颗落在飞行甲板的左后方，椰了因转换装卸来不及收贮而堆放在甲板上的大批炸弹。仅仅几秒钟，大火便吞没了整个飞行甲板，“赤城”号在接连不断的爆炸声中东倒西歪，一下子丧失了作战能力。与此同时，附近的“加贺”号航空母舰也连中4枚炸弹，全舰烈火熊熊，舰长当即身亡。
10时30分，从“约克敦”号起飞的第一批17 架美机也到达日舰上空，并立即进行俯冲攻击。于是，日“苍龙”号航母连中3颗重磅炸弹，整舰激烈爆炸，变成了一座燃烧着的活动地狱。由于受损惨重，15900吨重的“苍龙”号于当日19时13分沉入海底；12分钟以后，38200吨的“加贺”号发出两声天崩地裂的爆炸，随之也翻转倾覆。灭顶之灾使得南云中将呆若木鸡。但是，日本人没有忘记垂死挣扎。在“赤城”号等3艘航母遭炸中弹后，“飞龙”号放出了24架轰炸机和战斗机，悄悄地跟随返航的美机，发现了美军“约克敦”号航空母舰，便快速地进行了俯冲攻击。日军虽然损失16架飞机，却使“约克敦”号连中3弹；稍后，第二批飞来的日军鱼雷机，又使“约克敦”号中了2枚鱼雷。结果，“约克敦”号损毁严重，像流浪汉一样在海上漂荡，最后于6月6日凌晨沉没。南云舰队仅剩下的1艘“飞龙”号航空母舰，也没有逃脱美机的连续进攻。4日下午5时3分，由“企业”号起飞的24架美军轰炸机，背着太阳扑向已无战斗机护航掩护的“飞龙”号，接连3弹击中了飞行甲板。随后，从“大黄蜂”号和中途岛起飞的轰炸机，也相继赶来助战。“飞龙”号先后遭到79架美机攻击，最后厄运难逃，淹没在一片火海之中。5日凌晨，南云的旗舰“赤诚’号已无法航行，奉命于5时10分自沉；20分钟以后，“飞龙”号也被自己的鱼雷击中，带着舰长及400多名自愿殉舰者沉入海底。至此，南云舰队的机动打击力量丧失殆尽。日军企图再次制造珍珠港事件的幻想完全破灭，此时，还有大量战舰和巨炮的日本主力编队，已在总司令山本的率领下悄悄撤退了。原来，在得知“赤城”号等起火时，山本已命令大型战列舰向战场靠拢，准备同美国舰队决战。但是，山本毕竟不是只知蛮干的赳赳武夫，他深知没有空中掩护是难与美国舰队抗衡的，于是冷静下来，在6月5日2时55分作出决定：撤销“中途岛作战计划”，并自行炸沉受伤严重的“赤城”号和“飞龙”号航空母舰。这样，他终于为日本保存了相当巨大的海上实力，以致在以后两年多里，日美双方在太平洋战区的海空作战，仍然进行得非常激烈和残酷。当然，从此出现了有利于美军的战略转折。