Mais tarde naquela manhã, por volta das 06h30m, os japoneses lançaram um ataque em grande escala contra as instalações de Midway, os bombardeiros Aichi D3A(“Val” nome dado pelos aliados), que são bombardeiro de mergulho para bombardear as instalações, os torpedeiros Nakajima B5N ("Kate"), que são torpedos japonês, e caças Mitsubishi A6M Zero ("Zeke"), que possui grande capacidade de combate aéreo, foram os responsáveis pelo bombardeamento.

Entre 09h30m e 10h30m, Os torpedeiros Douglas TBD ("Devastator") dos esquadrões VT-3, VT-6 e VT-8 dos porta-aviões americanos atacaram os porta-aviões japoneses. Apesar de quase todos os torpedeiros terem sido destruídos pelos caças japoneses e pelo fogo antiaéreo, eles atraíram os caças inimigos, deixando os céus abertos para os bombardeiros de mergulho do Enterprise e do Yorktown.

Os bombardeiros "Dauntless" dos esquadrões VB-6 e VS-6 do USS Enterprise atacaram e danificaram gravemente os porta-aviões Kaga e Akagi, enquanto os "Dauntlesses" do VB-3 do USS Yorktown bombardearam e destruíram o porta-aviões Soryu. O submarino americano Nautilus (SS-168) disparou torpedos contra o Kaga em chamas, mas seus torpedos não explodiram.

O Hiryu, o único porta-aviões japonês sobrevivente, respondeu com duas ondas de ataques, ambas as vezes bombardeando o USS Yorktown, deixando-o gravemente danificado, mas ainda flutuando. (Um submarino japonês afundou o Yorktown mais tarde, em 7 de junho.) Na tarde de 4 de junho, um avião de reconhecimento do USS Yorktown localizou o Hiryu, e o Enterprise enviou bombardeiros de mergulho para atacar. Esse ataque deixou o Hiryu em chamas e sem capacidade de lançar aeronaves antes de finalmente afundar.

Três horas e meia depois, os torpedeiros “Kate” do Hiryu desferiram um segundo golpe, forçando o abandono do Yorktown. Em retaliação, os “Dauntlesses” do Enterprise causaram danos fatais ao Hiryu em um ataque por volta das 17h daquela tarde. A destruição da Força de Ataque de Porta-Aviões obrigou o almirante Yamamoto a abandonar seus planos de invasão de Midway, e a frota japonesa começou a se retirar para o oeste.

Em 5 de junho, a TF 16, sob o comando do contra-almirante Spruance, perseguiu a frota japonesa para oeste, enquanto continuavam os trabalhos de resgate do Yorktown, que havia sido danificado. Tanto o Akagi quanto o Hiryu, danificados no dia anterior, foram afundados por contratorpedeiros japoneses no início do dia 5.

Em 6 de junho, bombardeiros de mergulho do USS Enterprise e USS Hornet atacaram e afundaram o cruzador pesado Mikuma, além de danificarem os contratorpedeiros Asashio e Arashio, e o cruzador Mogami. Por ordem de Spruance, emitida após a destruição dos três esquadrões de torpedos em 4 de junho, os Devastators do Enterprise não atacaram devido ao risco de fogo antiaéreo. Após recuperar suas aeronaves, a Força Aérea 16 se retirou, e interceptações confirmaram a retirada das forças japonesas em direção a Saipan.

Ainda em 6 de junho, o submarino japonês I-168 torpedeou o USS Yorktown, interrompendo suas operações de salvamento, e também afundou o contratorpedeiro USS Hammann. Embora os contratorpedeiros de escolta atacassem o I-168 com cargas de profundidade, o submarino escapou. O USS Yorktown afundou na madrugada de 7 de junho.