9时20分～10时26分，正当日军第2波飞机卸下炸弹重挂鱼雷的混乱之际，美舰载鱼雷机和俯冲轰炸机连续攻击南云忠一的航空母舰。日方虽有部分战斗机临空迎战，但为时已晚。结果，日军损失航空母舰4艘、重巡洋舰1艘、飞机285架，人员3500名；美军损失航空母舰1艘、驱逐舰1艘、飞机约150架，人员307名。鉴于第1机动编队损失惨重，山本五十六于5日下令停止中途岛作战，率联合舰队西撤。美军乘势追击，于6日派舰载机3次出击，又击沉日军重巡洋舰1艘，击伤巡洋舰、驱逐舰数艘。
这次海战的特点是双方海上战斗编队在舰炮射程之外，以舰载航空兵实施突击。日军失败的原因：其一是过高估计己方航空母舰的战斗力，同时在两个战役方向作战，兵力分散；其二是情况判断错误，认为美国航空母舰来不及向战区集结；其三是通信技术落后，缺乏周密的海上侦察，直至关键时刻也未查明美航空母舰的位置；其四是战场指挥不当，决心多变。美军获胜的原因，第一是掌握日军进攻企图，及时集结兵力待机；第二是在鱼雷机大部分损失的情况下，轰炸机仍然连续俯冲轰炸，导致日军鱼雷机连机带雷爆炸，航空母舰被彻底摧毁。