7时28分，日军侦察机报告发现国舰队。此时，在中途岛东北海域待机的国特混舰队正向日机动编队接近，并已派第一、第二波飞机200多架。8时20分，日本侦察机报告国舰队似有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，并重新署对敌舰队的攻击。

鉴于第1机动编队损失惨重，山本于5日令停止中途岛作战，率联合舰队西撤。军乘势追击，于6日派舰载机3次击，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面舰艇又尚未为一场舰队决战集结完毕，山本试图重新置他那在数量上仍旧大的舰队来埋伏军舰艇。

但是他原来的计划将面舰艇置得过于远离中途岛，而且军指挥官雷蒙德·斯普鲁恩斯海军中将基于一份来自报门的报告，谨慎地早早向东撤退而并未中伏。斯普鲁恩斯并不知日军阵列中拥有包括大和号在的数艘战列舰，如果在中途岛行夜战他的航母和巡洋舰将于不利的位置。

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。

尼米兹也提早派遣军航母离港，赶在山本的潜艇警戒线成型以前伏击地，使山本的所有预警措施归于无效。日军时对阿留申群岛展开了象征的攻击，但军航母专心设伏，没有被引诱北上。山本本以为军航母要在数日之后才能赶来救援中途岛，没想到凌晨，南云忠一海军中将率第1机动编队（航空母舰4艘、舰载机260多架、其他作战舰艇17艘）至中途岛西北240海里海域，4时30分派第1波飞机108架飞往中途岛。

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米兹立刻派遣一艘扫雷艇前去守卫日军计划给参加k作战的上飞机加油的地，导致侦察行动取消，山本无法确定军航母是否一直在珍珠港里待命(山本派的扰空袭，引起了军的警觉)。

岛上军发警报，飞机升空迎敌，展开激战。日军轰炸机袭击机场，炸毁分地面设施。由于岛上防御得到加，机场跑未被摧毁。在此期间，南云的机动编队多次受到军岸基飞机的侦察、袭扰和攻击。南云遂决定再次攻击中途岛。7时15分，军岸基机结束攻击，南云却令已挂上准备攻击国航空母舰的第2波飞机改装攻击中途岛。

约9时20分于10时26分，正当日军第2波飞机正在卸、重挂的混之际，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；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。