困兽犹斗
12 点 40 分，“筑摩”号 5 号侦察机报告，美军航母开始向北航行，水面交战暂时不可能了，南云无奈下令改向北行，但没有试图拉开与美军的距离，他还奢望等增援赶来后再做一搏。13 点整，“岚”号驱逐舰俘虏的 1 名美军飞行员供词，以及此前“苍龙”号派出的新式“彗星”舰爆带回的侦察情报（该机无线电台损坏，无法发报），让南云和山口大吃一惊，直到此时他们才知道美军有 3 艘航空母舰！现在“飞龙”号最明智的行动就是立即西撤，但南云仅仅是要求派出侦察机定位另一支美军航母编队的位置，山口明知道兵力不足，却凭着那股子发狂的武士道精神，决定对美国人发动第二次攻击。
13 点 30 分，友永丈市率领的第二波机队开始起飞，这支单薄的攻击队只有 16 架飞机，包括 6 架零战和 10 架舰攻，南云命令继续向美军靠近寻求水面交战，这意味着“飞龙”号每一刻都处于极为危险的境地。14 点 20 分，由亚当斯上尉指挥的 2 架 SBD 终于发现了“飞龙”号，迅速将其方位发回母舰。如果“飞龙”在其他三艘航母受伤后不继续东进，或者在放飞友永机队后能够立刻转向西北，那亚当斯就不可能侦察到它，因为当时他的 SBD 已经处于航程极限，正准备返航。
由于友永机队攻击时“约克城”号已经成功灭火并恢复航速，山口认为这是被击中的第二艘美军航母，那么美军只剩一艘航母了，自己还有希望。16 点 30 分，回收完友永队的残部后，他一面下令“飞龙”号以 28 节高速向西北撤退，一面开始进行第三波攻击的准备，即使只剩下 4 架舰爆和 2 架舰攻可以出击。
败局已定
14 点 45 分，收到亚当斯的报告后，斯普鲁恩斯立即开始攻击准备。15 点 25 分，由命中“加贺”号的加莱赫上尉指挥，26 架 SBD（其中 VB-3 由“约克城”号转移而来）开始从“企业”号起飞；16 点，斯特宾斯上尉指挥的 16 架 SBD 也从“大黄蜂”号起飞；这么多的俯冲轰炸机足以击破“飞龙”号此时虚弱非常的防御。
而远离战场的山本大将依然保持着迷之自信，他认为既然已经打残了两艘美军航母，那么“飞龙”号剩下的战斗机足以掩护对中途岛的登陆作战，还在 16 点 55 分发报问山口明天早上能否使用中途岛基地，全然不知道“飞龙”号即将大祸临头了。
17 点01分，“企业”号的 SBD 率先发起了攻击，加莱赫上尉命令沙姆韦上尉指挥VB-3（15 机）攻击“榛名”号战列舰，自己率领 VS-6 (7 机)和 VB-6（4机）攻击“飞龙号。但沙姆韦对这种安排不满，仅安排数架攻击“榛名”（结果无一命中），主力则抢着攻击“飞龙”，这样一来攻击“飞龙”的 SBD 就太多了，以至于根本无法规避所有炸弹。虽然“飞龙”号上空有 13 架零战在巡逻，但飞行员都已精疲力竭，仅缠住了部分 SBD ，结果沙姆韦成功命中了一颗 1000 磅炸弹，之后又有 3 弹命中，落点集中在飞行甲板前部，巨大的黑色烟柱腾空而起，大火堵住了通往机舱的所有通道。甲板下的人们在绝望中挣扎着，直到被浓烟烈火燎倒。
17 点 50 分，“大黄蜂”号 SBD 机队赶到，但他们认为被大火笼罩的“飞龙”号已经没有价值了，于是就去轰炸“利根”和“筑摩”，结果徒劳无功。17 点 52 分，6 架来自中途岛的 B-17 和 6 架来自珍珠港的B-17出现在上空，它们们的精度极差，炸弹全都扔到了离船 500 米外的海里。
“飞龙”号完了，南云却没有放弃夜战的打算，他需要那些正在护卫受伤航母的驱逐舰加入，这样一来只能将无法挽救的航母自行击沉，因为这些航母都是被航弹击中，水密性并未受损，不可能在短时间内沉没，但大火已经烧毁了一切，即使拖回基地也无法修复。
首先被击沉的是毫无希望的“苍龙”号和“加贺”号，13 点 59 分时，阴魂不教的“鹦鹉螺”号曾经向完全静止的“加贺”号发射了 4 枚鱼雷，结果只有 1 雷命中，而且引信故障没有爆炸，要不然就不用日本人费事了。19 点 13 分，“矶风”号驱逐舰发射了 3 枚鱼雷，“苍龙”号中雷后开始倾斜，船尾下沉，5 分钟后，完全沉没。柳本舰长选择与舰同沉，1103 名官兵中有 711 人阵亡，是航母中伤亡率最高的。19 点 25 分，“?风”号驱逐舰发射了 2 枚鱼雷命中“加贺”号中部，将其击沉。1630 名官兵中有 811 人阵亡。
“赤城”号直到 19 点 15 分才完全丧失动力，19 点 20 分弃船。由于山本大将曾经担任该舰舰长，所以直到 6 月 6 日 4 点 48 分，才由其亲自下令击沉。“岚”“野分“?风”“舞风”4 艘驱逐舰排成纵列，依次经过“赤城”号，各发射 1 枚鱼雷，把这个绝望的场景搞得非常有仪式感。7 分钟后，这艘日本最著名的航母、机动部队的象征沉没，1630 名官兵中有 267 人阵亡。
“飞龙”号中弹后一度依然保持着 28 节的高速，灭火工作始终在进行着，但到了半夜再次发生大爆炸，机库甲板重新刷烈燃烧。6 月 5 日凌晨 2 点 30 分，山口认为“飞龙”号已经无法挽救了，他命令船员集合，准备弃船。从 2 点 50 分到 3 点 15 分，剩下的船员集中在舰桥旁边的飞行甲板上进行了训话和降旗仪式，然后弃船。山口多闻少将和舰长加来止男大佐则留在舰上与“飞龙”共存亡。
5 点 10 分，“卷云”号驱逐舰发射了 1 枚鱼雷，但未能命中，第 2 枚鱼雷命中右舷，这时突然在飞行甲板上出现了从机舱逃出来一群幸存者向“卷云”号呼救。但舰长藤田勇中佐担心再耽搁下去会遭到空袭，于是冷酷地离开了。9 点 07-15 分之间，“飞龙”号沉没后，机械长相宗邦濑中佐等 38 名幸存者乘救生艇逃离，他们在海上漂浮了整整 14 天，才被美军俘虏，当时还有 33 人活着，至此全舰 1103 人中有 392 人阵亡。