日军轰炸机袭击机场，炸毁部分地面设施。
由于岛上防御得到加强，机场跑道未被摧毁。
在此期间，南云的机动编队多次受到美军岸基飞机的侦察、袭扰和攻击。
南云遂决定再次攻击中途岛。
7时15分，美军岸基**机结束攻击，南云却下令已挂上**准备攻击美国航空母舰的第2波飞机改装**攻击中途岛。
7时28分，日军侦察机报告发现美国舰队。
此时，在中途岛东北海域待机的美国特混舰队正向日机动编队接近，并已派出第一、第二波飞机200多架。
8时20分，日本侦察机报告美国舰队似有1艘航空母舰。
南云于是命令攻击中途岛的第一波飞机和担任空中战斗巡逻任务的战斗机返航，随后率领舰队北驶，以免遭到袭击，并重新部署对敌舰队的攻击。
约9时20分于10时26分，正当日军第2波飞机正在卸下**、重挂**的混乱之际，美国舰载**机和俯冲轰炸机连续攻击南云的航空母舰。
日方虽有部分战斗机临空迎战，但为时已晚。
日军损失航空母舰4艘（“赤城号”
、“加贺号”
、“苍龙号”
、“飞龙号”
）、重巡洋舰1艘、飞机285架，人员3500名；美军损失航空母舰1艘（“约克敦号”
）、驱逐舰1艘、飞机约150架，人员307名。
鉴于第1机动编队损失惨重，山本于5日下令停止中途岛作战，率联合舰队西撤。
美军乘势追击，于6日派舰载机3次出击，又击沉日军重巡洋舰1艘，击伤巡洋舰、驱逐舰数艘。
鉴于航空兵力已经全灭而水面舰艇又尚未为一场舰队决战集结完毕，山本试图重新配置他那在数量上仍旧强大的舰队来埋伏美军舰艇。
但是他原来的计划将水面舰艇配置得过于远离中途岛，而且美军指挥官雷蒙德·斯普鲁恩斯海军中将基于一份来自情报部门的报告，谨慎地早早向东撤退而并未中伏。
斯普鲁恩斯并不知道日军阵列中拥有包括大和号在内的数艘战列舰，如果在中途岛进行夜战他的航母和巡洋舰将处于不利的位置。
此时山本准确地判断他已没有胜算，遂宣布放弃占领中途岛的任务并全军撤退。
这次失败使山本持续六个月的成功历程告一段落，日军的扩张也到此为止。
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