Tak lama setelah itu, saat pilotnya memberi tahu Nagumo bahwa serangan udara lain terhadap pangkalan itu diperlukan, pesawat AS yang diluncurkan dari Midway mulai menyerang empat kapal induk Jepang, tanpa hasil.
Saat Nagumo mempersenjatai kembali pesawat Jepang untuk serangan udara kedua, sebuah pesawat pengintai Jepang melihat sebagian armada AS, termasuk USS Yorktown, di sebelah timur Midway. Nagumo mengubah taktik, memerintahkan pesawat yang masih dipersenjatai untuk bersiap menyerang kapal AS begitu pesawat Jepang lainnya kembali dari Midway.
Sementara itu, gelombang pembom torpedo Devastator AS dari kapal induk Hornet and Enterprise tiba untuk menyerang kapal-kapal Jepang. Tanpa pengawalan pesawat tempur, hampir semuanya ditembak jatuh oleh pesawat tempur Zero Jepang. Namun sekira satu jam kemudian, ketika Jepang mengisi bahan bakar dan mempersenjatai kembali pesawat mereka, gelombang lain dari pembom yang diluncurkan kapal induk AS menyerang, menghantam tiga kapal induk Jepang—Akagi, Kaga, dan Soryu—dan membakarnya.
Sebagai tanggapan, kapal induk Jepang yang selamat, Hiryu, meluncurkan dua gelombang serangan ke Yorktown, yang harus ditinggalkan tetapi tetap mengambang. Pengebom tukik AS dari ketiga kapal induk kembali menyerang Hiryu dan membakarnya juga, membuat keempat kapal induk Jepang tidak beroperasi.