“赤城”号被直接命中两枚450公斤炸弹，一枚落在中部升降机后部，另一枚落在飞行甲板左舷后段。正常情况下，两枚炸弹对这艘巨大的航母根本不会造成致命损伤，但是，炸弹迅疾引爆了甲板上满载油弹的飞机，火势迅速蔓延，转瞬之间航母的作战能力便完全丧失了，特别是通讯联系全部中断！南云的指挥中断后，南云的次席指挥官、第八巡洋舰战队司令阿部弘毅海军少将立即接过指挥权。与此同时，第二航母战队司令山口多闻海军少将接替了空中作战的指挥。南云的参谋长草鹿海军少将主张立即将司令部转移到“长良”号巡洋舰，南云实在不忍离开心爱的旗舰，尤其不愿舍弃那些从战争开始便和他一起同甘共苦的“赤城”号官兵，青木舰长含着眼泪说：“长官，有我照管军舰，我们大家都恳求您转移到‘长良’号，继续指挥部队。”草鹿又向南云作了离开旗舰的最后请求，南云知道已无法再在“赤城”号上继续指挥了，于是跟青木舰长告别，由西林副官扶着爬上舰桥的窗口，沿着绳子滑到甲板上，参谋长以及其他司令部人员，跟着也离开了烈火熊熊的舰桥。此时已是10：30分。
前后短短的8分钟，日本3艘大型航空母舰覆灭的命运，全都无可挽回地注定了。几分钟前它们还是那么威风凛凛，转瞬间就变成了烈火熊熊的庞大残骸。随后的一天里，它们一一沉入波光粼粼的太平洋。
南云突击舰队现在只剩下“飞龙”号一艘航空母舰了。日本反击的最后希望，寄托在该舰舰长山口多闻少将身上。舰上飞行员听到舰长的训示时，不禁大吃一惊。
山口舰长告诉他们说：“你们已是突击舰队的最后一批飞行员了。”这些飞行员们很难相信，几分钟之前，他们对美国舰队的寻歼，还是胜券在握；可是转眼之间，却变成要同优势之敌决一死战，为已遭覆灭的3艘姊妹舰报仇。
上午10：40分，18架“99”式俯冲轰炸机，在6架“零”式战斗机的护航下，从“飞龙”号航空母舰上起飞，前去搜索攻击美国航空母舰。
单靠他们自己本来是找不到的。是莱斯利少校率领的返航机群成了他们的向导。这些轰炸机无意中把敌机带回了弗莱彻将军的“约克城”号航空母舰。
在高空盘旋的12架“野猫”式战斗机，居高临下，冲入日本机群进行阻击，一举击落敌机6架。
其余的日本轰炸机迅速向下低飞，进行俯冲轰炸。虽然有更多的敌机被炮火击毁，但还是有3颗炸弹命中“约克城”号。炸弹在巨舰体内爆炸，美军人员死伤无数。
当日本飞机消失之后，洋面上一片沉寂，留下13架“99”式轰炸机和3架“零”式战斗机的残骸。
返航的日本机群立即向山口少将报告：命中“约克城”号，敌航空母舰爆炸起火。
但是靠着“约克城”号航空母舰上的损管人员的奋力抢救，舰上的火势被扑灭了，母舰不仅能低速航行，而且飞行甲板上的飞机还能继续起飞。
可是好景不长，不久，又有10架日本“97”式鱼雷攻击机在6架“零”式战斗机的护航下，掠海飞来。
这是从“飞龙”号上起飞的第二批突击机群。他们把已经不再冒烟的“约克城”号当作了美军其他的航空母舰，对它再度发起攻击。日本飞机发射的鱼雷击中了这艘大型航空母舰的右舷和中部，破坏了舰上的全部动力、照明和通讯设备。
“约克城”号剧烈地向左侧倾斜摇晃，听任风浪的摆布。舰长伊利奥特·巴克马斯特上校尽可能地坚持，最后还是发出弃舰的命令。
这样，美国方面只剩下斯普鲁恩斯少将指挥的两艘航空母舰了。
此后，受伤的“约克城”号依然在海上漂浮，由一艘扫雷舰拖向珍珠港。6月6日清晨，日本I—168号潜艇发现了受伤的“约克城”号，偷偷地向它发射了两颗鱼雷，还向为它护航的驱逐舰“哈曼”号发射了一颗鱼雷。驱逐舰当即被击沉，舰上241名官兵，有13丧身大海。航空母舰虽中了鱼雷却还在坚持。直到6月7日早晨，它的舰身突然倾侧翻转，在起伏的波浪中坠入海底。
美国人决心为“约克城”号报仇。
6月4日下午2：45分，一架美国侦察机发现，一支日本舰队正在西面行进。它们包括：2艘战列舰，3艘巡洋舰，4艘驱逐舰以及由这些战舰护卫着的“飞龙”号航空母舰。
这一消息通过无线电传到“企业”号航空母舰之后，斯普鲁恩斯将军便集结起所有还能作战的飞机。
24架“无畏”式俯冲轰炸机轰鸣着飞离“企业”号的甲板，向“飞龙”号奔袭而去。
下午5时，日军舰队了望哨惊呼：“敌人俯冲轰炸机！”
在已成惊弓之鸟的“飞龙”号上，水兵们看见在西南方，从夕阳映照的天际，钻出一长串飞机，宛如一条长蛇。这可怕的情景，使他们个个胆颤心惊。
6架“零”式战斗机猛扑过去进行阻击，击落了2架美国飞机。但是其余的美国飞机继续俯冲了下来。
它们从耀眼的太阳方向钻出，呼啸着向日本航空母舰冲去。炸弹就落在舰旁，激起一柱柱水浪。最后，接连投下的4枚450公斤重磅炸弹，穿透飞行甲板，相继轰然爆炸。
正当“飞龙”号上的水兵疯狂地同满船烈火搏斗的时候，由中途岛飞来的B—17“空中堡垒”轰炸机，又出现在高高的天空上。它们扔下的重磅炸弹，激起越来越多的水柱。接着，又有更多的“空中堡垒”，从遥远的夏威夷飞来助战。“飞龙”号从头到尾，都淹没在火海里。
中途岛西北的海面，成了燃烧的坟场。
“苍龙”号倾斜了。晚上7：15分，这艘航空母舰的幸存者站在附近的驱逐舰上，痛苦地注视着“苍龙”号的最后沉没。
当海水淹没舰上的火焰时，发出了强烈的嘶嘶声。与“苍龙”号一起下沉的，有718名已死或被困在舰内的日本官兵，包括那位把自己绑在舰桥上而拒不离开的舰长柳本大佐。
“飞龙”和“赤城”两舰上的大火仍在猛烈地燃烧，无法控制。
经过整夜的燃烧，6月5日黎明前，“赤城”号的舰长请求山本大将允许把该舰沉掉。山本大将热泪盈眶，多年前，他曾在“赤城”号上当过舰长。他无可奈何地表示：“那就让驱逐舰向‘赤城’发射鱼雷吧。”有221名日本官兵随该舰沉没，葬身鱼腹。
6月4日21：23分，海水大量涌入，“飞龙”号倾斜15度，随后完全失速。“飞龙”号的舰长山口多闻将军，决定让驱逐舰“凤云”号将“飞龙”号炸沉。6月5日凌晨2：30分，山口把舰上人员召到甲板上，对着他的800名官兵说，“飞龙”、“苍龙”两艘航空母舰的沉没，由他一人负责。“我决心与舰共存亡。我命令你们全体离舰，继续为天皇效忠。”
山本大将的航空母舰遭到灭顶之灾的时候，他正率领主力舰队，在南云舰队后面450海里的洋面上破浪前进。
6月4日上午10：30分，“‘赤城’号着火”的电报猛然打破了山本的美梦。这位日本联合舰队总司令一言不发。对20分钟后送来的第二封电报，他也同样保持沉默。
6月5日0：15分，山本命令近藤和南云停止夜袭敌航母和炮击中途岛的准备，与主力编队会合。
鉴于美军舰队已经东撤，与其进行水面舰艇决战已不可能，如果日军继续东进，天亮后必将遭到美军舰载机和岸基航空兵的攻击，山本于6月5日2：55分，向所有部队下令：
一、撤销中途岛作战计划。
二、中途岛登陆编队部队和机动编队（除“飞龙”号及其警戒兵力外）同主力会合，这支联合部队于6月6日上午在北纬33度，东经170度海域加油。
三、警戒部队、“飞龙”号及其警戒兵力和“日进”号水上飞机母舰应开往上述地点。
四、运输船队西撤，摆脱中途岛敌机攻击范围。
对于山本的这一突然决定，头脑发热心急如焚的参谋们实在接受不了，他们七嘴八舌坚决要求拿下中途岛。首席参谋黑岛甚至流着眼泪歇斯底里地叫道：“长官，‘赤城’号并未沉没，依然还浮在海上。如果被美国拖去当做战利品展览，岂不是奇耻大辱吗？”“我们总不能用天皇陛下自己的鱼雷来击沉天皇陛下的战舰啊！”
有一个军官甚至直截了当地提出：“就这样撤回去，我们怎么向天皇陛下交待？”就在这天下午，“加贺”号和“苍龙”号相继于4：25分和4：30分沉没，但“赤城”号和“飞龙”号还依然在海上燃烧。
参谋们的这一番话似乎使房间变成了真空。渡边回忆说：“山本的参谋们几乎个个喉咙哽咽，连气也喘不上来。”
“山本的心里也许也在哭，但他眼里没有泪水。”也许只有他才能作出这一决定，而作出这个决定对他来说太痛苦了，他哭都哭不出来。
许久，他终于开了腔，语调缓慢沉重：“我自己曾当过‘赤城’号的舰长。现在我必须下命令将它击沉，心情万分遗憾。”接着他又继续说道：“全部责任都在我一个人身上，我去向天皇请罪。”
于是他命令驱逐舰“野分”号前往击沉“赤城”号。“野分”舰舰长古闲孙太郎后来痛苦地回忆说：“当我用强大的新型93式鱼雷射击这艘航空母舰的时候，我是多么痛心啊！这艘航空母舰竟成了我在这次战争中的第一个射击目标。”
发射鱼雷后7分钟，“赤城”号被海水淹没，在水下又发生了猛烈的大爆炸。这样，这艘在太平洋战争初期曾横行太平洋、印度洋的巨型航空母舰最终倾覆沉没了，舰上263人陪着它一起沉入太平洋的洋底。