17时许，“企业”号的机群发现“飞龙”号。在它的南面还看到三个巨大的烟柱，这显然是另外3艘日本航空母舰的残骸还在燃烧。“飞龙”号上空有数架“零”式战斗机，它们击落3架美军轰炸机，但是“飞龙”号也被其余美机击中4颗炸弹。约过30分钟，当“大黄蜂”号的机群起到现场时，“飞龙”号已是烈火熊熊，无需再加以攻击了。这个机群随即前去攻击“飞龙”号的警戒舰只。
斯普鲁恩斯已将袭击“飞龙”号的情况向弗莱彻作了报告。这时，弗莱彻已从“约克城”号转移到“阿斯托里亚”号重巡洋舰上。斯普鲁恩斯报告完上述情况后请示说：“您对下一步的作战有何指示？”弗莱彻答复说：“按你自己的意图打。”这就是说，弗莱彻已将两个航空母舰编队的战术指挥权交给斯普鲁恩斯了。这是一个明智的决定。航空母舰的作战，还是从航空母舰上进行指挥为宜。因为指挥官能够根据返舰飞行人员的报告，立即查明敌情。“企业”号未受损伤，又有经验丰富的参谋，斯普鲁恩斯完全可以实施应付裕如的指挥。
在日本舰队旗舰“大和”号舰桥上的有关人员，得知“赤城”号、“加贸”号和“苍龙”号均已失去战斗能力时，无不大惊失色。但是，山本却认为没有理由放弃这次作战。因为根据他的判断，袭击日本航空母舰的飞机至少有一部分是岸基飞机。他仍然认为，战场上只有1艘美国航空母舰，“飞龙”号正在同它交战。因此，他决定继续实施中途岛登陆作战，仅把兵力部署作了一些变更。近藤海军中将所率领的第2舰队，已经奉命前去增援机动编队；进攻中途岛的登陆输送队，在未查明情况之前，暂向西北方向航进，阿留申方面的增援部队正向主力部队靠拢。
13时，山本收到一份电报，内容如下：“1艘美国航空母舰被“飞龙”号舰载机击伤起火，另有2艘美国航空母舰正与‘飞龙’号交战。”直到这时他才知道，美国舰队拥有3艘航空母舰。山本随即决定：对中途岛和阿留申两地的登陆作战暂停，并将角田率领的第2机动编队从阿拉斯加海域调回。他认为，把这些兵力集中起来，就可以用3艘航空母舰对付残存的2艘美国航空母舰。
在此期间，“飞龙”号准备出动残存的全部舰载机(俯冲轰炸机5架、鱼雷机5架、战斗机10架)进行夜袭。17时01分，“飞龙”号转向，顶风航行，舰载机已经开始离舰时，“企业”号的轰炸机前来袭击。半小时后，山本得知，他的第4艘航空母舰“飞龙”号正在燃烧中。
到这时，除“飞龙”号外，其余3艘日本航空母舰已经无救。几乎一直跟踪日本机动编队的美国“鹦鹉螺”号潜铤，约于10时30分发现水天线处有三个巨大烟柱，这就是燃烧中的日本航空母舰。刚过中午，该潜艇驶近“加贺”号，并发射三条鱼雷。其中2条从目标旁边通过，1条命中，但未爆炸。可是，“加贺”号并未幸免于难。19时25分，该舰因爆炸而葬身海底。几乎与此同时，“苍龙”号也步了“加贸”号的后尘。“赤城”号和“飞龙”号还在海上漂浮，到次日晨，日本驱逐舰用鱼雷将其击沉。