当天晚上11：55分，山本正式下达了撤出战斗的命令：停止对中途岛的进攻。主力部队、登陆部队和第一机动舰队，于6月7日上午到北纬33度、东经170度的地点集结，接受补给。警戒部队也应驶向上述地点。占领部队西撤，要离开中途岛敌制空地域。
几乎就在山本下达撤销中途岛作战命令的同时，灾难又降临到日军头上，6月4日13：10分，近藤根据山本夜间炮击中途岛的命令，指派栗田健男海军少将的支援部队第七巡洋舰战队的“熊野”号、“铃谷”号、“三隈”号和“最上号”4艘重巡洋舰以及第八驱逐舰分队的2艘驱逐舰执行这一任务。栗田于4日15时接到近藤的指令，立即率部全速前进，由于此时他在中途岛以西400海里，即便以巡洋舰的最高航速行驶，也无法在次日拂晓前达到目的地，退一步说，即便他能做到，那就必定要在白天美机威胁之下撤退。栗田因此向近藤报告，为了保证炮击的成功，希望得到其他部队的合作。近藤把这个建议呈报山本，但山本未予理睬。
栗田的舰队抱着悲壮的决心，向东疾驶。各驱逐舰赶不上巡洋舰的速度，很快就被抛在后面，23时以后，驱逐舰已经远在巡洋舰视线之外了。各巡洋舰上都作好了准备，如炮击失败，就派出一支敢死队上岸去执行爆破的任务。
这时，“大和”号上的联合舰队参谋人员根据栗田的报告，核对了栗田部队的位置，发现栗田距离中途岛要比他们估计的要远，推算出炮击任务是不可能按时执行的。因此，在午夜后，电令栗田撤销原定任务。栗田在接到这一命令时，距离中途岛只有90海里了。
栗田随即遵照联合舰队的命令，掉头转向西北。不久，先头舰“熊野”号发现在右舷有一艘敌潜艇，那是美军的“红石鱼”号潜艇。栗田立刻命令部队紧急左转。“熊野”号用微光定向信号灯向二号舰“铃谷”号发出紧急警报的信号，随后向左转向；“铃谷”号接着转达了紧急转向信号，随后转向。“三隈”号也跟着发出了同样的信号，并转向。但不知是什么原因，最后的“最上”号未能及时接到转向信号，结果一头撞上“三隈”号左舷。“最上”号前炮塔以前的舰首部分被撞掉，并立即停航。“三隈”号受轻伤，幸好作战能力和操纵性都未受影响。“最上”号舰长曾尔章海军大佐报告，“最上”号仍可维持12节航速。栗田命令“三隈”号和“荒潮”号和“朝潮”号两艘驱逐舰掩护“最上”号。随后，栗田率领“熊野”号和“铃谷”号继续驶向预定会合地点，同山本率领的主力编队会合。
破晓后，“最上”号和护航舰只以12节航速缓慢地西撤，这4艘军舰上的每个人都深知他们随时都可能受到美机攻击或美舰追击。
6月5日天亮后，中途岛美军根据潜艇的报告派出12架俯冲轰炸机攻击了这两艘巡洋舰，其中由弗雷明上尉驾驶的飞机被击伤后撞向“三隈”号，使其受到重创。下午又有12架B—17轰炸机进行了攻击，但投下的80枚炸弹无一命中。
美军航母编队也作好了追击准备，侦察机和潜艇报告在中途岛以西125海里、西北175海里和250海里都有日舰。斯普鲁恩斯判断这是日军分成几个编队撤退，由于兵力有限，只能选择一个目标追击，他斟酌再三，决定攻击最远的日军舰队，因为据侦察机报告这支舰队中有1艘航母，这就是“飞龙”号，当美军舰载机飞到时，“飞龙”号已沉入海底，所以只攻击了护航的驱逐舰。然后又3次出动飞机共计123架次攻击掉队的两艘巡洋舰，击沉了“三隈”号，重创了“最上”号，“最上”号带着满身的创伤，蹒跚地回到特鲁克，在此后一年多的时间都无法出海作战。在这次战斗中，随行的2艘驱逐舰击落2架美机，但各中一弹，“荒潮”号有37人战死，第八驱逐舰分队司令小川莛宫海军中佐重伤，“朝潮”号有22人阵亡。除了前两天被击沉的4艘航母外，“三隈”号是日军开战以来被击沉的最大军舰，“三隈”号作为“最上”号的姊妹舰，曾在3月1日雅加达海战中并肩作战，击沉了美国的“豪斯顿”号轻巡洋舰和澳大利亚的“珀兹”号巡洋舰，它们还曾一起参加安达曼群岛、缅甸攻略作战以及孟加拉湾上的作战。
斯普鲁恩斯考虑到飞行员已连续作战3天，疲惫不堪，而且附近海域可能有日军潜艇出没，加上距威克岛很近，岛上日军岸基飞机也有一定威胁，为避免不必要的损失，便于6月6日黄昏下令停止追击，转向东北，撤离了战场。他的这一决定非常明智而审时度势，山本获悉美军航母在后追击，计划将美军引向威克岛，组织“凤翔”号和“瑞凤”号轻型航母上的飞机，连同战列舰、巡洋舰以及水上飞机母舰所携带的水上飞机，总共大约有100架，和岛上的岸基飞机进行协同攻击，还组织3艘巡洋舰和8艘驱逐舰前去迎战。按双方航线推算，如果美军继续追击，就会在夜间与日舰遭遇。由于美军舰队的适时撤离，中途岛海战便到此结束。
中途岛海战，美国方面损失了1艘航空母舰，1艘驱逐舰，307名官兵和147架飞机。
日本方面却付出了惨重的代价：4艘航空母舰和1艘巡洋舰被炸沉。180架飞机随同航空母舰沉入大海；另有54架飞机被击落；大约2500名官兵，包括几百名经验丰富，身经百战的飞行和机务人员葬身大海。联合舰队从此一蹶不振，再也无力发动大规模的海空作战。从珍珠港事件后日本人一直拥有的太平洋战区的战略主动权，也就拱手交出了。接之而来瓜岛失守，冲绳被破，号称无敌的日本海军最终灭亡在自己罪恶的双手之中！
战役点评
美国著名海军历史学家塞缪尔·E.莫里森教授把美军在中途岛海战中的胜利称之为“情报的胜利”。美军提前发现日本的攻击计划，是日本失利的惟一最主要的和直接的原因，这是无可置疑的。从日本方面来看，美军情报工作这一成就转而成为日方的失败——日本没有采取充分的保密措施。倘若攻占中途岛的意图的秘密能像偷袭珍珠港的计划那样彻底掩盖的话，这次战役的结果就很可能会大不相同了。
中途岛海战失利的另一个的根本原因是作战的基本计划本身有错误。在这方面最突出和最明显的错误是各种海军兵力的部署不当。作战计划的决策者们沿用了他们得意的一着，而这一次却成为致命的一着，即分散部署兵力。联合舰队不是把日本部队编成一支空前庞大的机动部队，而是采取了分散兵力的方针，结果各部队的兵力都比较薄弱。
由于作战基本计划中存在着这样或那样严重的缺陷，使日军部队司令官们一开头就吃了两个大亏。即使如此，如果他们的战术指挥上不犯错误，似乎可以肯定说结果也不是如此之败。有人说，在战斗中双方都会犯错误，而胜利则属于犯错误较少一方。在中途岛海战中，南云海军中将犯的错误显然最多，按照事后的检讨，南云海军中将显然犯了3个严重错误。
第一，在空袭中途岛那天清晨，他没有作出充分的搜索部署。如果他早一点派出双相搜索，就有可能很快发现还没有被察觉到的敌特混舰队，这样，他就可以先发制人，而不至于挨打。
南云的第二个错误是和他采用的把舰载飞机分成第一攻击波和第二攻击波的方法有关的。虽然同时使用4艘航空母舰的飞机可以缩短飞机起飞和回收的时间，但在收回飞机和紧接在收回飞机之后的时间如遭到敌机攻击时，必然增加了脆弱性。
南云的第三个错误也许是最严重的错误，在于当他发现敌特混舰队有一艘航空母舰后，没有立即用全部飞机进攻。不管这些飞机装备的炸药时是否合适，或甚至没有战斗机的掩护，也应该出动。因为这至少比被动挨打要强得多。山口海军少将在这紧急关头的判断是惟一正确的。南云选择的自以为正统的和比较安全的方针，但是从那时起他的几艘航空母舰就注定要遭劫了。
在指挥安排上来看，山本海军大将把他的大将旗挂在“大和号”上并开到海上以鼓舞作战部队士气。显然，这种陈旧的观念是不符合现代海上战争要求的。司令长官应了解全局并能对其所统率的全军通报情况和保持控制，这远比所涉及的任何时期问题重要的多。美国人是认识和理解这个问题的，所以尼米兹海军上将的太平洋舰队司令部在战争期间始终是在岸上，最初是在珍珠港，后来迁到关岛。山本自己既在“大和号”上，又由于一直到最后时刻对所有参加这次作战的舰只实行无线电静默，他就无法跟他的各部属舰队通讯。所以他不能把东京发来的最新敌情通报转给南云，也不能及时对作战施加任何控制。
同样导致日本军队失败的原因还有其骄横跋扈的心态。从“满洲事变”到1941年12月，日本除对弱敌取得轻易的胜利以外，没有别的经验。在发动太平洋战争的时候，它是有点担心。开战后的头几个月，日本接连获得大胜，这使它自己和别的国家一样感到意外。它最初对战事的担心于是很快便消失了。在继续挺进的时候，国内的人民和前方的士兵都欢欣鼓舞，没有多久，他们就不再把敌人的作战和抵抗能力放在眼里。在这种情况下，日本人产生了一种轻敌的傲慢态度。到中途岛海战时，这种心理上狂妄自大已浸透了作战部队的官兵的思想和行动中。这种过分自负的毛病就被很恰当地称之为“胜利狂”，而它的流毒极广，在计划和执行中途岛作战的人员中都存在。
中途岛海战作为第二次世界大战的一个分水岭，从战役发动的那一刻开始，日本终将败亡的命运就被清楚地记载在人类的历史上。令人可悲的是这个弹丸小国在付出了沉重的代价之后并没有仔细地检讨自己，反而更加变本加厉，由此我们可以看到对一个民族来说最可怕的不是羸弱而是盲目和无原则。