中途岛东北海域的钢铁伏击圈内，由斯普鲁恩斯少将与弗莱彻中将统率的第16、17特混舰队正严阵以待。6月4日拂晓，中途岛PBY侦察机发回敌航母方位报告，两位指挥官迅即作出反应：斯普鲁恩斯率队全速南进，弗莱彻则在回收10架侦察机后立即跟进。

基于战场态势研判，斯普鲁恩斯推算南云舰队位于西北200海里处，且其攻击机群将于09:00完成中途岛空袭返航——这正是航母最脆弱的回收作业窗口。

07:06，历史性总攻拉开帷幕：

企业号：33架SBD无畏式、14架TBF复仇者式、10架F4F野猫式战斗机升空

大黄蜂号：35架SBD、15架TBF、10架F4F编队出击

08:40，约克城号加入战团：17架SBD、12架TBF、6架F4F破云而出

然而初期攻势遭遇重大挫折：高空云层遮蔽与日军舰队北移导致第一波机群错失目标，21架轰炸机无功返航，14架转降中途岛时4架损毁，10架F4F因燃油耗尽迫降海面。

更惨烈的牺牲来自大黄蜂号VT-8中队——沃尔德伦少校率领的15架TBF在09:20发现敌舰后实施低空突袭，却在零式战机的绞杀下全军覆没，无人生还。

09:25，南云舰队102架舰载机已在甲板完成出击准备，此时企业号VB-6中队33架SBD却如神兵天降。领队麦克拉斯基少校凭借日军驱逐舰"岚"号的航迹，于6000米高空锁定机动部队菱形战阵：

西北：赤城号

东北：加贺号

东南：苍龙号

北端：飞龙号

随着无线电中"进攻！进攻！"的怒吼，美机分成两队俯冲而下，赤城与加贺的飞行甲板上，整装待发的机群与燃料管线即将化作炼狱火海——这决定性的300秒，彻底改写了太平洋战场的战略天平。

10:24，当第一架完成加油的零式战斗机即将升空时，防空哨兵的尖叫撕破长空。此刻日军航母正处于最危险的作业状态——逆风航行中甲板满载挂弹加油的舰载机。只见一架美军俯冲轰炸机首先穿出云层，加贺号首先迎来灭顶之灾：四枚炸弹分别贯穿前中后部甲板，其中一枚精准命中舰桥侧的加油车。烈焰瞬间吞噬了这艘巨舰，冈田舰长与700余名官兵在极高温火海中化为焦炭，两小时后舰体断成两截沉入深渊。

10:25，赤城号的致命300秒，贝斯特上尉的战机以70度角俯冲而下，两枚炸弹炸穿了飞行甲板。第一弹在中央升降机后方引爆，第二弹撕裂左舷航空作业区。甲板上满载鱼雷的九七舰攻连环爆炸，火舌顺着燃油管线窜入机库，将800公斤航空鱼雷化作噬人魔。南云忠一被迫转移旗舰时，赤城号已沦为漂浮的火葬场。

10:30，苍龙号的最后时刻；来自约克城号的17架SBD抓住防空缺口，三枚1000磅炸弹贯穿苍龙号要害部位。命中升降机的炸弹引发连锁反应，引爆了舰体中部待发的九一式鱼雷，700名船员包括柳本舰长跟着苍龙号沉入大海。

10时40分，由18架俯冲轰炸机和6架战斗机组成的攻击机群，在“飞龙”号飞行分队长小林道雄海军大尉带领下起飞。在飞往目标途中，他们发现美舰载机正在返航。小林示意他的飞行员悄悄地跟踪敌机。

可是，有两架战斗机没明白小林的意思，一头扑向美机，从而暴露了目标，“约克城”号发现来袭的日机，立即起飞战斗机迎战，并让返航的轰炸机暂缓着舰。附近的“企业”号和“大黄蜂”号也闻讯派出战斗机前来助战。

美军12架护航的“野猫”式战斗机立即抢占了高度，在日机发起进攻前就击落了3架“零”式战斗机和6架“九九”式俯冲轰炸机，但仍有6架日机突破了美战斗机的拦截，向“约克城”号航空母舰投掷炸弹，并命中3颗。

“约克城”号舰身起火，锅炉气压下降，失去了航行能力。

13:20，约克城号经损管队员殊死抢修，竟奇迹般恢复20节航速，甲板火势亦被扑灭。正当舰载机转降企业号时，10架日军“97”式鱼雷攻击机和6架“零”式战斗机又从“飞龙”号飞来，对“约克城”号发起了第二次攻击。

此时，美军有8架战斗机正在“约克城”号上加油，只有4架留在空中，无法有效阻止日机。4架日军鱼雷机突破了美舰的防空炮火，在离“约克城”号舰首不到500米的地方向其发射“长矛式”鱼雷。

其中2颗命中“约克城”号左舷，在油箱附近掀开两个大洞，并把舰舵给轧住了。“约克城”号的动力、照明和通讯系统尽遭破坏，左舷倾斜。下午15时，舰长巴克马斯特被迫下令弃舰。

第十七特混舰队司令弗莱彻中将转移到一艘巡洋舰上，并把战术指挥权移交给第十六特混舰队司令斯普鲁恩斯少将。2天后“约克城”号被一艘路过的日军潜艇彻底击沉。

14:45，致命情报：

约克城号沉没前起飞的1架侦察机发现了"飞龙"号。斯普鲁恩斯立即启动"雷霆打击"：

企业号起飞25架轰炸机

大黄蜂号出动16架轰炸机

这41架轰炸机组成的编队，直扑日军最后的航母战力。

山口多闻少将始终坚信已重创两艘美军航母，殊不知两次攻击均指向约克城号。这艘以48小时紧急修复创造海军史奇迹的航母，因其快速恢复战力被误判为"第二艘未受损航母"。

16:30，飞龙号完成第二波回收后，该舰仅存6架战斗机、5架九九舰爆与5架九七舰攻。山口决定实施夜间雷击作战，遂派高速侦察机搜寻美舰坐标。17:03，正当侦察机准备升空时，瞭望哨警报响彻全舰——敌方轰炸机已进入俯冲航道。

加来止男舰长急命右满舵规避，三枚1000磅炸弹擦舷而过掀起巨浪。

后续俯冲的美军轰炸机投下四枚致命炸弹，舰桥结构在300公斤高爆弹的冲击波中解体，前部升降机甲板如废铁般扭曲上翘。烈火引燃甲板上满载弹药的飞机，连环爆炸形成的黑色烟柱漫上天际。这艘最后的航母动力变得愈发缓慢。

17时20分，“大黄蜂”号的舰载机也赶到了，见“飞龙”号已经燃起冲天大火，便转而攻击其他军舰，“榛名”号战列舰、“利根”号重巡洋舰、“筑摩”号重巡洋舰先后遭到攻击，但都未被击中。

不久从中途岛起飞的39架B－17轰炸机也飞来助战，“飞龙”号再度中弹。

21时23分，“飞龙”号完全丧失航行能力，逐渐倾斜。第十驱逐舰分队司令阿部俊雄海军大佐的旗舰“风云号”靠在航母旁边，协助灭火，并为艰苦奋战的舰员提供食物和饮水，“夕云号”驱逐舰则在旁警戒。

最后，眼看回天无力，山口通过“风云”号驱逐舰向南云报告，他已下令弃舰。

6月5日02:30，山口多闻少将身着全套礼服立于倾斜甲板，向八百余名幸存者下达最后训令："我身为‘飞龙号’和‘苍龙号’航母战队司令官，应该对其损失负全部责任。我将与本舰共存亡，我命令你们全体离舰，继续为天皇陛下效忠。"

副官再三恳求同殉被拒。

按山口的最后指示，阿部海军大佐下令“风云”号和“夕云”号驱逐舰击沉“飞龙”号。

5时10分，“风云”号和“夕云”号向“飞龙”号发射了鱼雷，在一阵震耳欲聋的爆炸声后，“飞龙”号缓缓下沉。直到8时20分左右“飞龙”号才沉没在北纬31度38分，西经178度51分海域。“飞龙”号共有416名舰员丧生。

至此，空前规模的中途岛海战宣告结束。