战局发生大逆转
6月4日从清晨到此时，美军从中途岛和航空母舰上共出动战机99架，损失62架，战果为零。点儿背到了极点。但是，美军没有放弃。从“企业”号航母起飞的第6轰炸机中队没有在预定海域发现日舰编队，但中队长小麦克拉斯少校做出了一个极为重要又明智的决定：向北搜索！终于在10点找到了日军航空母舰编队。日军4艘航母正排成菱形编队向北行驶。令小麦克拉斯惊奇的是，空中没有一架警戒战斗机。原因很简单，日军已经迎战美军战机几波攻击了，空中警戒的战斗机因燃油、弹药耗尽，全部落舰补给。而且此时，日军航母正在掉头转到迎风方向，处于极易受攻击的境地。
10时24分，“赤城”号发出起飞命令，飞行长摇动小白旗，第一架换班的日军警戒战斗机飞离甲板。正在此时，小麦克拉斯率领第6轰炸中队33架轰炸机俯冲下来，分成两队，分别攻击“赤城”号和“加贺”号航母（此时两航母没有做好放飞攻击编队的准备）。这次美国人否极泰来了。“赤城”号直接被两枚450公斤炸弹命中，在正常情况下，这对南云的旗舰不构成威胁，但谁让这时“赤城”号甲板上停满装满燃油的飞机呢，炸弹引爆了飞机，甲板上连续爆炸，“赤城”号的通信完全中断，南云忠一只得弃舰，转移到“长良”号轻巡洋舰上。接着，又有17架从美军“约克城”号航母起飞的俯冲轰炸机来了，“苍龙”号、“加贺”号也被命中！日军3艘航空母舰刹那间变成了3团火球，堆放在机库里的飞机及燃料和弹药引发大爆炸。火光直冲云霄，短短5分钟，日本3艘航空母舰被彻底炸毁了，战局发生大逆转。已经转移到“长良”号上的南云忠一目瞪口呆，不知所措。
有关这段历史，有一个为人熟知的“决定命运的5分钟”的说法，最早是日本人提起的，意思是日军只差5分钟就能让航空母舰上的战斗机起飞迎战，那样的话，结果可能就完全不同了。近年来，日本朝云出版社出版的《中途岛海战》一书，提出了一个新观点：没有所谓的“决定命运的5分钟”。书中通过分析当时参战的日军证词，得出结论：3艘航母在中弹时，苍龙、飞龙攻击队的飞机至少还需要30分钟才能起飞，而“赤城”号、“加贺”号的战斗机起飞则需要更多时间。即便日军还差5分钟就能完成炸弹换鱼雷的工作，但要把一架架飞机，通过升降机提升到甲板上，再把起飞位置排列好，完成试运行，然后起飞，最少需要30分钟。所以，“决定命运的5分钟”很可能是不存在的。这大概是日本人独特的思维方式，说只差“5分钟”就意味着“本来我们能赢”。
“约克城”号沉海底
这时，南云的突击舰队只剩下一艘航空母舰了。那就是山口多闻指挥的“飞龙”号，他已接过空中作战的指挥权。要说日本人也够玩儿命的，山口多闻少将决定孤注一掷发动反击，他告诉“飞龙”号上的飞行员：“你们已是突击舰队的最后一批飞行员了。”这些人全都傻了，难以相信。
10时40分，18架99式俯冲轰炸机和6架零式战斗机组成的攻击编队从“飞龙”号航母起飞，扑向美军航母舰队。途中，日机巧妙地跟在一批返航的美军轰炸机后面，成功地找到了“约克城”号，并立即发动攻击。虽然美机起飞迎战，但还是有3枚炸弹命中“约克城”号，炸弹在舰体内爆炸，但在美军船员的奋力抢救下，“约克城”号还能坚持航行，甚至甲板上的飞机还能起飞。
这让日本人很不爽，不久又有10架日军97式鱼雷攻击机和6架零式战斗机从“飞龙”号起飞，对受伤的“约克城”号发起第二轮攻击。“约克城”号这次没那么幸运，被2枚鱼雷击中，左舷附近掀开两个大洞，舰上的全部动力、照明和通信设备损坏，舰舵还给轧住了。弗莱彻少将被迫转移到巡洋舰上，将指挥权移交给斯普鲁恩斯少将。受伤的“约克城”号倾斜摇晃，听任风浪摆布，由一艘扫雷舰拖向珍珠港。但是，途中又被一艘日军潜艇发现，这艘潜艇悄悄向“约克城”号发射了鱼雷，“约克城”号又坚持了一天，最终沉入波涛之中。
海军少将随舰亡
战斗仍在继续，6月4日下午2时45分，美军侦察机发现了日军仅剩的“飞龙”号航母，斯普鲁恩斯立即命令“企业”号、“大黄蜂”号航母的全部30架俯冲轰炸机起飞，前去攻击，为“约克城”号报仇。
下午5时，美军轰炸机编队宛如一条长蛇，飞临“飞龙”号上空，日军出动6架零式战斗机迎战，击落了2架美军飞机。但是，日军再没什么好运气了，“飞龙”号最终被4枚重磅炸弹命中，甲板上当即变成一片火海。当“飞龙”号上的日军拼命救火时，美军飞机不断增援，轮番投弹，“飞龙”号已经完了。山口多闻海军少将命令部下离舰，他对部下说：“我决心与舰共存亡。我命令你们全体离舰，继续为天皇效忠。”最终，山口多闻和“飞龙”号舰长一起随舰葬身大海。
山雨欲来风满楼，美日双方紧密布局中途岛。
山口多闻是日本海军中一员出色的战将，山本五十六都很看好他，想让他当接班人，只是他资历浅，妨碍了提升。在“飞龙”号被大火吞没时，山口拒绝离舰，非要与舰同沉。其实，这不完全是日本武士道精神，而是英国皇家海军的传统。但是此时，英国皇家海军已经放弃了这个愚蠢的传统。其实，国力要是强大，几个月就能造一艘军舰，美国后来造自由轮（二战期间美国大量制造的一种货轮）时，工人开玩笑地说，离下班还有俩钟头，再造一艘出来吧。但要培养出一个合格的舰长很难，一名军人从海军军校毕业，授少尉，升到上校起码要20年，很耗时间。而山口多闻都做到少将司令官了，何况他还是不可多得的出色战将。中途岛海战对于日本来讲，最惨重的损失不是航母、巡洋舰，而是几百名经验丰富的飞行员和水兵，还有像山口多闻那样的军官。
丧失战略主动权
6月4日晚，已被摧毁的日军“苍龙”号、“加贺”号航空母舰相继沉没。“赤城”号还在漂着，舰长请求山本五十六允许把“赤城”号炸沉。山本当过“赤城”号舰长，对该舰感情颇深，他无可奈何地下令：“那就让驱逐舰向‘赤城’号发射鱼雷吧。”舰上221名水兵随即葬身鱼腹。中途岛西北海面，成了日军航母的坟场。
6月5日凌晨，日本联合舰队司令长官山本五十六大将否决了其首席参谋黑岛大佐提出的集中全部舰只在白天轰炸并登陆中途岛的挽回败局方案，下令：“取消中途岛的占领行动。”并表示“所有责任由我一个人来担当，我回去向天皇陛下请罪”，他把自己关进会客室，一连三天拒绝会见部下。
6月5日夜间，日军两艘重巡洋舰“最上”号和“三隈”号在浓雾中转向时互撞，“最上”号受重创。随后美军发现了这两艘巡洋舰。6月6日天亮，美军飞机一波又一波地轰炸“三隈”号和“最上”号。“三隈”号葬身海底，而被撞伤的“最上”号反而逃过一劫，挣扎着返回特鲁克的基地。攻击结束以后，美军特混舰队随即撤离战场，中途岛之战终于宣告结束。
在这场战役中，美军只损失了1艘航空母舰、1艘驱逐舰和147架飞机，阵亡307人；而日本却损失了4艘大型航空母舰、1艘重巡洋舰、330架飞机，还有几百名经验丰富的飞行员和3700名舰员。日本在太平洋战场从此开始丧失战略主动权，战局出现了有利于盟军的转折。
美国海军首脑事后评价：“中途岛海战是日本海军350年来的第一次决定性败仗。它结束了日本的长期攻势，恢复了太平洋海军力量的均势。”同时，此战还给日军高层造成了难以愈合的创伤，使他们再也无法对战局做出清晰的判断。这一痛苦的回忆，日本直到二战结束都挥之不去。开战前，山本就曾说过，日本只能坚持半年。从1941年12月日军偷袭珍珠港到1942年6月中途岛海战，日本果然就半年好运。山本真是没白在美国待那么长时间，比那些没出过国、自认老子天下第一的土包子同僚和爱国贼“愤青”看得准得多。
为了掩盖自己的惨败，避免挫伤部队的士气，6月10日，日本电台居然播放了响亮的海军曲，宣称日本已“成为太平洋上的最强国”。当惨败的舰队疲惫不堪地回到驻地时，东京竟举行提灯游行庆祝胜利！