不过山口多闻现在没时间为此担忧了，因为就在他的第一批攻击编队放出去之后不久，美军的下一轮攻击就又接踵而至。这次出场的是约克城号航母上的18架俯冲轰炸机和8架F4F战斗机，带队的是麦克斯韦尔•莱斯利海军少校。而这个时候，原本负责舰队防空的零战在刚才的战斗中又一次遭到了损失，现在虽然他们已经爬到了较高的高度，但他们的数量也只有区区6架了。而刚刚从飞龙号上起飞的6架零战却全部被派去给俯冲轰炸机护航了。虽然他们不顾F4F的阻拦。舍生忘死的向莱斯利的轰炸机群发起了攻击，并击落了其中的两架，但显然，他们无法阻止轰炸机群的攻击。
这一次飞龙号再也没有前面那样的好运气了。相对于企业号和大黄蜂号，在珊瑚海有过攻击军舰经验的约克城号航母上的轰炸机表现得更出色，16架轰炸机投下了炸弹，竟然有6枚成功命中。
第一枚炸弹击中了飞行甲板，在上面炸了个大洞，第二枚命中了排在飞行甲板后部正准备起飞的鱼雷机，并引发了大火。第三枚穿过甲板，摧毁了一座锅炉（这使得军舰的速度一下子就慢了下来），然后是第四、第五、第六。整个母舰被彻底的打瘫痪了。
在《沉没的皇国》这样写道：
“这次打击来得快去得也快。当第一枚炸弹偏出后，我还在想‘啊，他们打不中我们的。’但紧接着，一枚炸弹就在离我不远的地方爆炸了，那时候我正在协助损管人员扑灭升降机那里的余火。爆炸产生的巨大的冲击波把我直接推倒在地上。我的耳朵嗡嗡的响，好半天都不大明白。过了一会儿，我清醒了过来，发现一个人压在我身上。我推开他，爬了起来，觉得手上满是黏糊糊的东西，仔细一看才看到那个压在我身上的人是损管员小松英，他的半边脑袋都被被弹片削没了，黏在我的手上的是他的脑浆……”
但山口和加来止男依然没有放弃，全舰的损管人员都在努力的试图挽救军舰。为了避免火势蔓延到弹药库和燃油库，加来止男命令向这两个舱放水。弹药库成功的被海水淹没了，但通向燃油库的管线被炸弹炸坏了，以至于无法注入海水。这成了这条船最大的弱点。3个小时后，大火燃烧的热量引发了一次爆炸，炸毁了航母的内部设施。“飞龙”号倾斜超过了15度，加来止男船长被迫下令弃船。此时是下午14点。
在甲板上熊熊燃烧的火光中，山口多闻指挥官向即将离开被毁坏的“飞龙”号航母的800余人说道：“我个人将全部承担‘飞龙’和‘苍龙’两艘航母损失的责任。”他告诉他们：“我将在船上呆到最后。”虽然下属们坚决的要求要让领导先走，但他还是平静而坚定的拒绝了他们的请求。他把自己黑色的帽子递给副官留作纪念，并向舰队司令南云将军发电报表示歉意，然后举起一大杯水与同袍们道别。桅杆上高高飘扬的太阳旗被降了下来，小心的叠好并带走，军号奏起了《君之代》。天皇的画像被虔诚地转移到附近的一艘驱逐舰上。当船员们离开这艘战船的时候，山口多闻向护航的野分号驱逐舰发布了他的最后一个命令：“发射鱼雷击沉‘飞龙’号。”随着火焰渐渐地包围了舰桥，这位将军转向加来止男船长，平静地说道：“这片大海多美呀，让我们一起欣赏这美丽的大海吧。”事后人们对这位联合舰队中公认最有才华，最可能接上山本五十六的班的将军的这种寻短见的行为有过很多猜测，有人认为，山口将军在此时已经明白日本的命运已不可改变，他不愿意活下来亲眼看到那一天。
野分号驱逐舰向飞龙号发射了威力巨大的93酸素鱼雷，击沉了这艘坚持到最后的航母。野分号驱逐舰不会想到，在以后的日子里，它会成为整个舰队中击沉吨位数最高的军舰，而它所击沉的，绝大多数都是自己的战舰。
从飞龙号上起飞的轰炸机群在侦察机提及的位置没能找到美军编队。于是他们开始在附近搜索。此前，他们已经通过无线电得知飞龙号受到重创的消息，他们知道，自己回去也没有可以降落的甲板了。
时间流逝，很快到了中午12点，轰炸机群如果再不返回，他们就没有回去的燃油了。山口在给他们命令里，让他们回去，在舰队上空跳伞。但这条命令被轰炸机群的指挥官小林上尉拒绝了。他通知编队，如果需要回去的自行回去，而他决心无论如何，要为飞龙号报仇。
中午12点13分，小林机群在海面上发现了船只留下的航迹，跟着航迹，不久之后，他们找到了美军航母约克城号。
在距离约克城30英里的地方，轰炸机编队遭到了12架在“约克城”号上空巡逻的“野猫”战斗机的攻击，虽然护航的零战尽了全力，但是零战的弱点又一次暴露了出来。当在雷达的引导下，占据着高度优势的野猫们朝着轰炸机直扑过去的时候，护航的零战火力不足的毛病暴露无遗。野猫们在以迎头对冲的形式冲破零战的拦截时仅仅损失了一架飞机。而一旦冲过第一轮的拦截后，凭借俯冲带来的高速度，他们甚至可以放心大胆的放任零战占据最致命的6点钟方向——反正零战追不上来——而专注于对日本轰炸机的攻击。直到他们完成第一轮攻击，重新拉起的时候，护航的零战才又一次赶上来，努力地和野猫们纠缠在一起。但在第一轮的突袭中，那些因为挂满了炸弹而笨拙得像鸭子一样的俯冲轰炸机就被击落了4架之多，而且还有更多的轰炸机在攻击中受伤。当然，这样的战果的取得还和日本轰炸机宁死也不愿意通过抛掉炸弹来增强飞行机动性有关。
“不要和敌人战斗机纠缠，全力攻击轰炸机！”美军编队指挥官发出了这样的指令。野猫们顶着零战的炮火，一心一意的向着日本轰炸机发起一轮又一轮攻击。编队指挥官西斯上尉的野猫被击中了，他的油箱开始漏油了，漏出的燃油在空中雾化后拖出了一道长长地航迹。在一般情况下，他本应撤出战斗。而且他此时选择撤退，日本人绝不会追击，因为他们要留下来保护轰炸机。但西斯上尉并未选择撤退。他驾驶着受伤的战机，继续攻击日本轰炸机。一架架的战机开始起火、燃烧、坠落。有些是美国战斗机，有些是日本轰炸机。天空中有时也会突然出现一个火球，那些火球有的是某架战机被击中后凌空爆炸造成的，也有是日本战斗机为了保卫轰炸机而发起主动撞击而造成的。
当最后一架野猫带着浓烟撤出战斗时，日军已经有12架轰炸机被击落了，护航的零战也折损了两架（损失的零战全部是因为主动撞击）。小林上尉和他的战友们，驾驶着剩余的6架轰炸机，又受到美军舰艇编队上密集的防空炮火的攻击，，在向航空母舰约克城号扑过去的过程中，编队又损失了两架轰炸机，现在编队只剩下4架轰炸机了。不采取特殊的攻击方式，绝对无法给敌人以致命的一击了。
“诸君，九段坂再会！”小林通过无线电向他忠勇的下属说出了这最后的一句话就驾着轰炸机直扑下去，一直俯冲到不足两百米的高度才投下炸弹，就在炸弹落在约克城号的甲板上爆炸的同时，他的飞机也笔直的撞击在约克城号的飞行甲板上，撞坏了停在上面的好几架飞机。后面的日本飞机（包括哪些无炸弹的零战）也效仿他们的长官，向约克城号发起了自杀性的攻击。虽然舰队的防空火力拼命拦截。但仍然又有1架飞机带着炸弹撞上了约克城号。军舰上燃起了漫天的大火。
1点钟的时候，弗莱彻把他的舰旗转移到了“阿斯托利亚”号巡洋舰上，并给尼米兹将军发射了无线电报，要求将第十七特遣舰队停下来保护“约克城”号航母，而放弃对斯普鲁恩斯战术上的增援。
在弗莱彻将军离开后，约克城上的火势倒是渐渐的被控制住了。损管部门表现得很出色，燃油库和弹药库都得到了较好的保护，而且军舰还有自行航行的动力，虽然最高速度已经只有可怜的12节了。在第十七特遣舰队其他舰艇的保护下，她开始向珍珠港转进。
历史上的约克城号就是在退却途中又被日本潜艇袭击而沉没的。但这一次，约克城倒是幸运的躲过了一劫，她最终回到了珍珠港，但却被诊断为损毁过于严重，修复至少需要一年半。而一年半之后，随着新锐舰队航母的不断加入，这条功勋战舰开始退居二线，直到战后，被改装为海军纪念馆。
山本在得知四艘航母全部损失的噩耗后，默然无语。在经过痛苦的思考后，他决定承认失败。下令：“取消占领中途岛的命令。”带领着他的舰队开始返航。
斯普鲁恩斯将军指挥企业号和大黄蜂号又进行了有限的追击，击沉了南云舰队的最上号巡洋舰，然后在黑夜来临前向西方退却。就这样，一场决定向的战役结束了。
和原先的历史相比，战果乍看起来没太大区别，日本一样是损失了4条航母。而美军的约克城号航母虽然没有如历史上那样被击沉，但其结果和被击沉了也没太大区别。但如果考虑到飞行员的损失，就大不相同了。日军飞行员的损失略大于原来的历史，而美军的损失则比原来的历史小得多，更多的经历了战火的飞行员活了下来，并得以成长。这种区别所带来的后果会随着战争的持续而越来越明显。