空战的声音惊动了还在美国驱逐舰下活动的德国潜艇，多蒙德上尉一看时间，比他预料的时间提前了大概40多分钟，尽管现在海面上十分危险，但是德国潜艇此时必须离开这条掩护他们的美国驱逐舰了，不然等海面上的战斗结束，德国潜艇就不好混水摸鱼了。
多蒙德上尉指挥潜艇离开了美国驱逐舰的腹部，按照船位推算法向美国航母可能所处的位置前进。他要离开美国驱逐舰一定的距离才能把潜望镜浮出水面进行观测。
再回到日本人这边，在刚发现美军舰队后，南云就命令‘苍龙’号派出新式高速侦察机与美军舰队保持接触，查明敌兵力。
这架飞机起飞后一直没有发回报告，现在返回时发现‘苍龙’号中弹起火，无法降落，因此在‘飞龙’号甲板上降落。飞行员向山口报告说：“发报机发生了故障，无法及时报告，我只好返航回来报告，敌部队中有‘企业号’、‘大黄蜂号’和‘约克城号’三艘航母!”
虽然从美军进攻所使用的飞机数量已经说明，美军舰队绝不会是如前所报的只有一艘航母，但这个消息还是令日本人感到十分震惊。
山口决定使用现有的全部飞机发动第二次攻击，他命令‘飞龙’号飞行队长友永城市海军大尉带领仅有的10架鱼雷机(包括‘赤城’号的1架鱼雷机)和6架战斗机(包括‘加贺’号的2架战斗机)。友永的飞机左机翼油箱在空袭中途岛时受损，还没来得及修理。但他毫不在意，坚持起飞。
14时26分，日机发现‘约克城’号航母，两分钟后‘约克城’号雷达也发现来袭日机，立即起飞了12架战斗机迎战，友永命令战斗机上前迎战，以掩护鱼雷机攻击，自己率鱼雷机迅速下降到100米低空，并分散从不同方向接近，在‘约克城’号及其警戒舰只异常猛烈的高射炮火下，日机有4架鱼雷机和3架战斗机被击落，但仍有4架鱼雷机突破美舰防空火力投下鱼雷，其中两条鱼雷命中，将刚刚修好的‘约克城’号又击成重伤，该舰丧失全部动力、照明、通讯，并向左剧烈倾斜。
弗莱彻被迫转移到‘阿斯托里亚’号巡洋舰上，他考虑到只有在航母上才能根据飞行员的报告及时掌握战况，也只有在航母上才能有效实施战役指挥，便将指挥权移交给斯普鲁恩斯。
而在‘约克城’号航母附近的‘企业’号航母左舷8千米的水面上，出现了一个如同人头大小的潜望镜。这就是多蒙德上尉指挥的潜艇。
本来按照预案，多蒙德上尉指挥的潜艇担任突击的任务，另外两艘潜艇则负责吸引美国护航驱逐舰的注意力，以掩护多蒙德上尉指挥的潜艇实施突击，不过现在由于日本飞机的干扰，美国军舰的注意力集中到了天空，对水面和水下的搜索就不是很严密了，于是就让多蒙德上尉抓住了机会，单艇突入了美国舰队的内层防御圈。
14时45分，1架侦察机发现了‘飞龙’号航母，斯普鲁恩斯接到报告后，认为发现的日军航母就是日军的第四艘航母，决心集中最大兵力予以攻击，务求将其消灭！他立即下令从‘企业’号起飞25架轰炸机，从‘大黄蜂’号起飞16架轰炸机，其中10架原是‘约克城’号降落在这两艘航母上的，它们先后向目标海域飞去。
14时50分，‘约克城’号横倾近25度，已无法恢复平衡，舰长巴克斯特上校只好下令弃舰。弗莱彻派出几艘驱逐舰前来接走舰员，并命令‘休斯’号驱逐舰留在‘约克城’号附近，以便在最后时刻将其击沉。
当‘飞龙’号的第二攻击波最后一架飞机于16时30分在航母上降落时，‘飞龙’号只剩下了6架战斗机、5架俯冲轰炸机和5架鱼雷机。山口很清楚，要靠这点兵力在白天组织进攻是难以奏效的，决定等到夜里再发起夜袭。
16时45分，战斗出现了短暂的平静，‘飞龙’号利用这个空隙时间开饭了，人们狼吞虎咽地吃着香甜可口的年糕团。即便在这短短的间歇时间里，6架战斗机还要在航母上空保持战斗巡逻，夜袭的准备工作也在紧张进行。为了找到美军航母的具体位置，山口决定派一架高速侦察机进行搜索。
17时3分，侦察机刚要起飞，瞭望哨就大声喊道：“敌俯冲轰炸机!”
由于美机是从西南背朝太阳方向飞来的，加上‘飞龙’号没有雷达，日军未能及时发现，面对呼啸而下的美机，‘飞龙’号高射炮纷纷开火，舰长加来止男大佐急令：“右满舵!”
‘飞龙’号动作笨拙地向右猛转，避开了投下来的头三枚炸弹。但是，更多的美机俯冲下来，接连有四枚炸弹命中舰桥附近，舰桥上的玻璃窗全被猛烈的爆炸震得粉碎，前部升降机附近的舱面甲板被炸得面目狰狞地朝上翻卷，完全挡住了指挥区的视线。大火在飞行甲板上装好炸弹的飞机间蔓延、爆炸。巨大的黑色烟柱腾空而起，‘飞龙’号的航速开始减低下来。
17时20分，‘大黄蜂’号的舰载机也赶到了，见‘飞龙’号已经燃起沖天大火，便转而攻击其他日本军舰，‘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。