显然，南云打算继续退却。山本接到南云以同样情绪发来的第二封电报后，便发出如下命令：
机动编队除“赤城”号、“飞龙”号及其警戒舰只外，统由第2舰队司令官近藤负责指挥。
在关键时刻善于判断情况、当机立断的近藤海军中将，这时已率第2舰队前来与机动编队的残存兵力会合。他立即下令集结部队，准备实施夜战。预定参加夜战的兵力为：战列舰4艘、巡洋舰9艘和驱逐舰19艘。
然而，山本企图借以挽回败局的这次夜战是注定打不成的。因为担任美海军部队战术指挥的斯普鲁恩斯已经决定夜间向东航进。对此，他曾作过如下说明：
一方面，我认为不应冒险与可能居于优势的日军部队进行夜战；另一方面，我希望第二天早晨别离中途岛太远。我部队所在的位置应该是，既便于追击退却之敌，又能粉碎日军对中途岛的登陆。另外，附近海面也许还有日本航空母舰与其登陆编队一起行动，或者在西北海面仍有出现第5艘航空母舰的可能性。
到了深夜，山本才不得不正视现实。在该海域，至少有2艘美军航空母舰仍具有作战能力。因为这些军舰已经向东撤退，所以，日军的水面舰艇与之交战的希望是难以实现的。如果日军的水面舰艇部队继续东进，拂晓后，山本所率舰只必会遭到美军航空兵的突击。因此，日本于5日零时15分命令尚未集结完毕的近藤率领的突击部队与主力部队会合。2时55分，山本无可奈何地决定停止中途岛作战，命令全军向西撤退。
6月5日的追击
日军潜艇对中途岛的炮击敲响了日军的“丧钟”，而不是演奏进攻的序曲。但是，日军于6月5日凌晨的炮击，却使美军未能及时作出合乎实际的判断，致使5日的追击不利，未获战果。
斯普鲁恩斯认为，日军已损失4艘航空母舰，不会再试图实施登陆作战，但是，也不能忽视这种可能性。2时15分，“红石鱼”号潜艇报告：在中途岛以西约90海里处发现“敌我不明舰船多艘”。斯普鲁恩斯随即向上级报告：“日军可能要进行登陆作战，因此，我部将以25节航速向中途岛以北航进。”在珍珠港的太平洋舰队潜艇部队指挥官罗伯特·英格利希海军少将也作出相同的判断，遂令其潜艇后退，撤至离中途岛5海里的海域。这样，美军部队的机动就与追击方向背道而驰了。
“红石鱼”号潜艇所报告的“敌我不明舰船”，就是前来接替“伊-168”号潜艇炮击中途岛的4艘巡洋舰和2艘驱逐舰。“红石鱼”号报告后不久，上述日舰便因接到山本的撤退命令，而转向返航了。日舰转向返航后，其了望哨发现“红石色”号潜艇。在规避这艘潜艇时，日重巡洋舰“最上”号和“三隈”号相撞。“最上”号舰首破损，“三隈”号油舱破裂，舰尾拖着一条油迹。凌晨，重巡洋舰“熊野”号称“铃谷”号向北撤退；已撞伤的2艘重巡洋舰，航速减慢，在2艘驱逐舰的护航下，继续向西航进。