不過山口多聞現在沒時間爲此擔憂了，因爲就在他的第一批攻擊編隊放出去之後不久，美軍的下一輪攻擊就又接踵而至。這次出場的是約克城號航母上的18架俯衝轟炸機和8架F4F戰鬥機，帶隊的是麥克斯韋爾?萊斯利海軍少校。而這個時候，原本負責艦隊防空的零戰在剛纔的戰鬥中又一次遭到了損失，現在雖然他們已經爬到了較高的高度，但他們的數量也只有區區6架了。而剛剛從飛龍號上起飛的6架零戰卻全部被派去給俯衝轟炸機護航了。雖然他們不顧F4F的阻攔。捨生忘死的向萊斯利的轟炸機羣發起了攻擊，並擊落了其中的兩架，但顯然，他們無法阻止轟炸機羣的攻擊。
這一次飛龍號再也沒有前面那樣的好運氣了。相對於企業號和大黃蜂號，在珊瑚海有過攻擊軍艦經驗的約克城號航母上的轟炸機表現得更出色，16架轟炸機投下了炸彈，竟然有6枚成功命中。
第一枚炸彈擊中了飛行甲板，在上面炸了個大洞，第二枚命中了排在飛行甲板後部正準備起飛的*機，並引發了大火。第三枚穿過甲板，摧毀了一座鍋爐（這使得軍艦的速度一下子就慢了下來），然後是第四、第五、第六。整個母艦被徹底的打癱瘓了。
在《沉沒的皇國》這樣寫道：
“這次打擊來得快去得也快。當第一枚炸彈偏出後，我還在想‘啊，他們打不中我們的。’但緊接着，一枚炸彈就在離我不遠的地方爆炸了，那時候我正在協助損管人員撲滅升降機那裡的餘火。爆炸產生的巨大的衝擊波把我直接推倒在地上。我的耳朵嗡嗡的響，好半天都不大明白。過了一會兒，我清醒了過來，發現一個人壓在我身上。我推開他，爬了起來，覺得手上滿是黏糊糊的東西，仔細一看纔看到那個壓在我身上的人是損管員小松英，他的半邊腦袋都被被彈片削沒了，黏在我的手上的是他的腦漿……”
但山口和加來止男依然沒有放棄，全艦的損管人員都在努力的試圖挽救軍艦。爲了避免火勢蔓延到彈藥庫和燃油庫，加來止男命令向這兩個艙放水。彈藥庫成功的被海水淹沒了，但通向燃油庫的管線被炸彈炸壞了，以至於無法注入海水。這成了這條船最大的弱點。3個小時後，大火燃燒的熱量引發了一次爆炸，炸燬了航母的內部設施。“飛龍”號傾斜超過了15度，加來止男船長被迫下令棄船。此時是下午14點。
在甲板上熊熊燃燒的火光中，山口多聞指揮官向即將離開被毀壞的“飛龍”號航母的800餘人說道：“我個人將全部承擔‘飛龍’和‘蒼龍’兩艘航母損失的責任。”他告訴他們：“我將在船上呆到最後。”雖然下屬們堅決的要求要讓領導先走，但他還是平靜而堅定的拒絕了他們的請求。他把自己黑色的帽子遞給副官留作紀念，並向艦隊司令南雲將軍發電報表示歉意，然後舉起一大杯水與同袍們道別。桅杆上高高飄揚的太陽旗被降了下來，小心的疊好並帶走，軍號奏起了《君之代》。天皇的畫像被虔誠地轉移到附近的一艘驅逐艦上。當船員們離開這艘戰船的時候，山口多聞向護航的野分號驅逐艦發佈了他的最後一個命令：“發射*擊沉‘飛龍’號。”隨着火焰漸漸地包圍了艦橋，這位將軍轉向加來止男船長，平靜地說道：“這片大海多美呀，讓我們一起欣賞這美麗的大海吧。”事後人們對這位聯合艦隊中公認最有才華，最可能接上山本五十六的班的將軍的這種尋短見的行爲有過很多猜測，有人認爲，山口將軍在此時已經明白日本的命運已不可改變，他不願意活下來親眼看到那一天。
野分號驅逐艦向飛龍號發射了威力巨大的93酸素*，擊沉了這艘堅持到最後的航母。野分號驅逐艦不會想到，在以後的日子裡，它會成爲整個艦隊中擊沉噸位數最高的軍艦，而它所擊沉的，絕大多數都是自己的戰艦。
從飛龍號上起飛的轟炸機羣在偵察機提及的位置沒能找到美軍編隊。於是他們開始在附近搜索。此前，他們已經通過無線電得知飛龍號受到重創的消息，他們知道，自己回去也沒有可以降落的甲板了。
時間流逝，很快到了中午12點，轟炸機羣如果再不返回，他們就沒有回去的燃油了。山口在給他們命令裡，讓他們回去，在艦隊上空跳傘。但這條命令被轟炸機羣的指揮官小林上尉拒絕了。他通知編隊，如果需要回去的自行回去，而他決心無論如何，要爲飛龍號報仇。
中午12點13分，小林機羣在海面上發現了船隻留下的航跡，跟着航跡，不久之後，他們找到了美軍航母約克城號。
在距離約克城30英里的地方，轟炸機編隊遭到了12架在“約克城”號上空巡邏的“野貓”戰鬥機的攻擊，雖然護航的零戰盡了全力，但是零戰的弱點又一次暴露了出來。當在雷達的引導下，佔據着高度優勢的野貓們朝着轟炸機直撲過去的時候，護航的零戰火力不足的毛病暴露無遺。野貓們在以迎頭對衝的形式衝破零戰的攔截時僅僅損失了一架飛機。而一旦衝過第一輪的攔截後，憑藉俯衝帶來的高速度，他們甚至可以放心大膽的放任零戰佔據最致命的6點鐘方向——反正零戰追不上來——而專注於對日本轟炸機的攻擊。直到他們完成第一輪攻擊，重新拉起的時候，護航的零戰才又一次趕上來，努力地和野貓們糾纏在一起。但在第一輪的突襲中，那些因爲掛滿了炸彈而笨拙得像鴨子一樣的俯衝轟炸機就被擊落了4架之多，而且還有更多的轟炸機在攻擊中受傷。當然，這樣的戰果的取得還和日本轟炸機寧死也不願意通過拋掉炸彈來增強飛行機動性有關。
“不要和敵人戰鬥機糾纏，全力攻擊轟炸機！”美軍編隊指揮官發出了這樣的指令。野貓們頂着零戰的炮火，一心一意的向着日本轟炸機發起一輪又一輪攻擊。編隊指揮官西斯上尉的野貓被擊中了，他的油箱開始漏油了，漏出的燃油在空中霧化後拖出了一道長長地航跡。在一般情況下，他本應撤出戰鬥。而且他此時選擇撤退，日本人絕不會追擊，因爲他們要留下來保護轟炸機。但西斯上尉並未選擇撤退。他駕駛着受傷的戰機，繼續攻擊日本轟炸機。一架架的戰機開始起火、燃燒、墜落。有些是美國戰鬥機，有些是日本轟炸機。天空中有時也會突然出現一個火球，那些火球有的是某架戰機被擊中後凌空爆炸造成的，也有是日本戰鬥機爲了保衛轟炸機而發起主動撞擊而造成的。
當最後一架野貓帶着濃煙撤出戰鬥時，日軍已經有12架轟炸機被擊落了，護航的零戰也折損了兩架（損失的零戰全部是因爲主動撞擊）。小林上尉和他的戰友們，駕駛着剩餘的6架轟炸機，又受到美軍艦艇編隊上密集的防空炮火的攻擊，，在向航空母艦約克城號撲過去的過程中，編隊又損失了兩架轟炸機，現在編隊只剩下4架轟炸機了。不採取特殊的攻擊方式，絕對無法給敵人以致命的一擊了。
“諸君，九段阪再會！”小林通過無線電向他忠勇的下屬說出了這最後的一句話就駕着轟炸機直撲下去，一直俯衝到不足兩百米的高度才投下炸彈，就在炸彈落在約克城號的甲板上爆炸的同時，他的飛機也筆直的撞擊在約克城號的飛行甲板上，撞壞了停在上面的好幾架飛機。後面的日本飛機（包括哪些無炸彈的零戰）也效仿他們的長官，向約克城號發起了自殺性的攻擊。雖然艦隊的防空火力拼命攔截。但仍然又有1架飛機帶着炸彈撞上了約克城號。軍艦上燃起了漫天的大火。
1點鐘的時候，弗萊徹把他的艦旗轉移到了“阿斯托利亞”號巡洋艦上，並給尼米茲將軍發射了無線電報，要求將第十七特遣艦隊停下來保護“約克城”號航母，而放棄對斯普魯恩斯戰術上的增援。
在弗萊徹將軍離開後，約克城上的火勢倒是漸漸的被控制住了。損管部門表現得很出色，燃油庫和彈藥庫都得到了較好的保護，而且軍艦還有自行航行的動力，雖然最高速度已經只有可憐的12節了。在第十七特遣艦隊其他艦艇的保護下，她開始向珍珠港轉進。
歷史上的約克城號就是在退卻途中又被日本潛艇襲擊而沉沒的。但這一次，約克城倒是幸運的躲過了一劫，她最終回到了珍珠港，但卻被診斷爲損毀過於嚴重，修復至少需要一年半。而一年半之後，隨着新銳艦隊航母的不斷加入，這條功勳戰艦開始退居二線，直到戰後，被改裝爲海軍紀念館。
山本在得知四艘航母全部損失的噩耗後，默然無語。在經過痛苦的思考後，他決定承認失敗。下令：“取消佔領中途島的命令。”帶領着他的艦隊開始返航。
斯普魯恩斯將軍指揮企業號和大黃蜂號又進行了有限的追擊，擊沉了南雲艦隊的最上號巡洋艦，然後在黑夜來臨前向西方退卻。就這樣，一場決定向的戰役結束了。
和原先的歷史相比，戰果乍看起來沒太大區別，日本一樣是損失了4條航母。而美軍的約克城號航母雖然沒有如歷史上那樣被擊沉，但其結果和被擊沉了也沒太大區別。但如果考慮到飛行員的損失，就大不相同了。日軍飛行員的損失略大於原來的歷史，而美軍的損失則比原來的歷史小得多，更多的經歷了戰火的飛行員活了下來，並得以成長。這種區別所帶來的後果會隨着戰爭的持續而越來越明顯。