10时24分，第一架日本战斗机飞离飞行甲板时。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航空母舰和加贺号航空母舰，接踵而来的是17架从约克镇号航空母舰上起飞的“无畏”式俯冲轰炸机则专门攻击苍龙号航空母舰。日军的3艘航空母舰刹那间变成了三团火球，堆放在甲板上的等待起飞的飞机以及燃料和弹药引起大爆炸，火光直冲云霄，短短的5分钟，日本三艘航空母舰被彻底炸毁了。 10时40分，接替指挥空中作战的日第2航空战队司令官山口多闻少将发动反击，18架由“九九”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空母舰起飞。飞向目标途中，发现了一批正在返航的美军轰炸机，便悄悄的尾随。就因如此，日机成功的找到了约克城号，并立即发动攻击。3颗炸弹命中约克城号，虽然遭到破坏，但是在美军船员的极力抢修下，恢复了航行功能。 6月5日2时55分，日本联合舰队司令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的方案，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，最上号重创，三偎号留下陪伴左右。 3时50分，日军被迫放弃被摧毁的赤城号航空母舰，为了避免航空母舰落入敌手，山本命令野分号驱逐舰发射鱼雷将其击沉。 5时10分，无法挽救的飞龙号航空母舰被日军驱逐舰发射的鱼雷击沉。
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