因为美军事先有所准备，日军轰炸机的第一轮攻击波并未对中途岛构成重大打击。在针对中途岛的第二波攻击快要展开时，日军侦察机发回来情报说“发现敌军舰队似乎由1艘航空母舰垫后”。这给南云提了一个难题：或者选择马上动用第二波飞机发动一次进攻，第一波袭击中途岛的飞机正在返航，因为油料马上就快用完，无法在空中等待太长时间。另外一个选择是在发起第二波攻击之前，回收第一波机群以及正在为舰队护航的战斗机，以便重新装满弹药和油料。这样将可能发动一次较强的攻势，但至少需要1个小时的时间，而且这段时间容易成为美军飞机轻松袭击的大好时机。
也许认为美军舰队不会利用时间差来抓住稍纵即逝的战机，南云自信地采取了第二种方案。他希望毕其功于一役，而又尽可能减少损失。于是，南云让各战舰将已换装上炸弹的飞机再次送回机库重新改装鱼雷，收回中途岛归来的第一波飞机，并命令舰队以30节的航速向北撤离。
有几个架次的美军战机发现了日本航母的动向。在接到信号后它们马上起飞，准备轰炸日军航母，但由于美军庞大的机群缺乏配合，编队四分五裂，而且南云让舰队转向航行，一些美机来到预定海域却不见敌军舰队踪影。
或许应该感谢命运，从“企业”号上起飞的33架美军“无畏”式俯冲轰炸机，由于燃料不足，他们正准备返航时，却突然意外地发现了1艘日军驱逐舰，于是率队紧随日舰而行。10分钟后，在6000米的高空中，麦克拉斯基他们发现了由4艘航空母舰组成的蔚为壮观的南云舰队。从“约克城”号航空母舰上起飞的 17架“无畏”式俯冲轰炸机也紧随其后。此时的日舰正处于极易受攻击的境地，甲板上到处是鱼雷、炸弹及刚加好油的飞机，而且保护航空母舰的战斗机正在低空四处追杀美军鱼雷机。这正是美军展开攻击的有利时机。“企业”号的33架“无畏”式俯冲轰炸机，分成2个中队分别攻击“赤城”号和“加贺”号航空母舰，而 “约克城”号的17架“无畏”式俯冲轰炸机则专门攻击“苍龙”号航空母舰。
中途岛之战，美军共损失1艘航空母舰、1艘驱逐舰、147架飞机和307人。日军共损失4艘大型航空母舰、1艘重巡洋舰、322架飞机和3500人，另有1艘重巡洋舰和2艘驱逐舰受重创。更重要的是，日本海军损失了2/3的大型航空母舰以及日军在太平洋战争初期所据有的海空控制权。