就在南云犹豫不决之际，美军的反击已经开始。中途岛的陆基飞机和航母舰载机相继升空，分批对日军机动舰队发起攻击。由于美军飞行员缺乏协同作战经验，初期的攻击效果并不理想，多波次攻击均被日军的战斗机和防空火力击退，损失惨重。

但这些攻击打乱了南云舰队的作战节奏，迫使他不断调整舰载机的挂载方案——先是准备对中途岛发起第二波攻击，挂载高爆炸弹；

随后又接到美军舰队可能存在航母的情报，急忙下令更换鱼雷，准备攻击美军舰队。频繁的挂载更换导致日军航母甲板上堆满了弹药和燃油，秩序混乱，为后续的覆灭埋下了致命隐患。

上午10时左右，决定性的时刻到来。美军“企业”号航母的33架“无畏”式俯冲轰炸机在中队长麦克拉斯基的带领下，成功突破日军的防空警戒，出现在日军“赤城”号和“加贺”号航母上空。

此时的日军航母正处于最脆弱的状态，甲板上挤满了待飞的舰载机和卸下的弹药，几乎没有防御能力。美军轰炸机投下的炸弹精准命中目标，“加贺”号航母被多枚炸弹击中，甲板瞬间燃起大火，引爆了甲板下的弹药库，短短十几分钟内便失去战斗力，最终于当日下午沉没。

“赤城”号航母也被一枚炸弹击中，大火迅速蔓延，尽管船员奋力扑救，但火势无法控制，山本五十六被迫下令将其击沉。

与此同时，“约克城”号航母的17架俯冲轰炸机也发现了日军“苍龙”号航母，随即发起攻击。3枚炸弹准确命中“苍龙”号，引发连环爆炸，大火和浓烟吞噬了航母，仅仅20分钟后，“苍龙”号便完全丧失战斗力，于傍晚时分沉没。短短几分钟内，日军机动舰队的3艘核心航母被美军一举摧毁，战局彻底逆转。

6月4日下午，日军仅剩的“飞龙”号航母发起了疯狂的反扑。其舰载机分两波对美军“约克城”号航母发起攻击，“约克城”号被两枚鱼雷和多枚炸弹击中，舰体严重受损，失去动力，最终于6月7日被日军潜艇击沉。但“飞龙”号的反击也暴露了自己的位置，美军“企业”号航母随即派出轰炸机群对其展开围攻。“飞龙”号被4枚炸弹击中，燃起熊熊大火，于6月5日凌晨沉没。

6月5日，山本五十六得知机动舰队4艘航母全部覆灭的消息后，深知败局已定，无奈之下下令取消中途岛作战计划，率领联合舰队残余兵力撤退。

美军则乘胜追击，击沉日军重巡洋舰“三隈”号，击伤多艘其他舰船。6月7日，美军彻底肃清了战场，中途岛海战正式结束。

在这场战役中，日军损失惨重，共计被击沉4艘航空母舰、1艘重巡洋舰，损失舰载机332架，阵亡官兵约3500人，其中包括大量经验丰富的飞行员和水兵。而美军仅损失1艘航空母舰、1艘驱逐舰，舰载机147架，阵亡官兵约307人。

中途岛海战的胜利，不仅守住了中途岛这一战略要地，更沉重打击了日本海军的有生力量，使其丧失了在太平洋战场上的战略主动权。

历史上的中途岛海战成为太平洋战争的重要转折点。在此之前，日本在太平洋战场处于战略进攻态势，而此战之后，日本被迫转入战略防御，美国则开始掌握战场主动权，逐步展开反攻。

此外，这场战役充分展现了情报战的