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“企业”号和“大黄蜂”号航空母舰的舰载机分为四个机群接敌，而“约克城”号的舰载机就成了第五个机群。这5个机群在攻击中所出现的协同动作纯属巧合。“企业”号的战斗机实际上是把“大黄蜂”号的机群误为本舰的鱼雷机中队，对其进行护航。“大黄蜂”号和“企业”号的鱼雷机群攻击失利时，这些战斗机正在日本舰队的上空，并爬高至6000米。但因没有收到事先约定的信号，它们就一直在空中盘旋，未参加战斗，待燃油消耗到一定限度，就返回了航空母舰。
侦察机所报告的日本舰队位置本来就有一些误差，再加上日本机动编队改变航向，向北航行，这样一来，南云部队就不在美军飞行员所预期的海域了。“大黄蜂”号在高空飞行的俯冲轰炸机机群，没有发现南云机动编队而继续向西南飞行。但是，鱼雷机第8中队在云层下飞行，于9时20分发现了正向西北航进的日本航空母舰，随即向目标接近。为了防止遭到中途岛岸基飞机的攻击而在低空飞行的日军战斗机，拦击了美军的鱼雷机；老练的日军飞行员轻而易举地战胜了这些又慢又笨的鱼雷机。美军的15架鱼雷机在投鱼雷前就被全部击落，只有一名飞行员得救。这位飞行员在天黑前，隐蔽在飘浮着的坐垫后面，既未受到机枪扫射，也免于被俘。“大黄蜂”号的俯冲轰炸机，燃油尚可够用，则继续向西南飞行。后来，有21架返回航空母舰，其余11架飞往中途岛基地，其中有3架在着陆时撞毁。为其护航的战斗机，因航程较短，均于燃油耗尽后在海上迫降。
“企业”号的鱼雷机中队，比“大黄蜂”号的鱼雷机中队晚10至15分钟飞抵日本舰队上空。它也和鱼雷机第8中队一样，没有战斗机的掩护，同样没有取得战果。“企业”号的鱼雷机中队分成两群从日本航空母舰舰艏的两舷进行攻击；然而，日本航空母舰转向规避，把美军飞机甩在后面，使其未能及时投雷。而日军零式战斗机勇猛截击，14架鱼雷机竟被击落10架。美机发射的鱼雷依然没有击中目标。但美军鱼雷机中队的损失，并非毫无价值。这些鱼雷机的攻击将零式战斗机吸引到低空，使其全神贯注于截击鱼雷机，而放松了对高空敌机的戒备。
“企业”号的轰炸机和“大黄蜂”号的一样，在预期的海域也未发现敌舰。但是，轰炸机群指挥官小麦克拉斯基海军少校作出了“这次海战中最为重要的一个决定”，开始进行方形搜索，首先向北飞行。刚过10时，美轰炸机群发现一艘单独行动的日军驱逐舰，接着就发现了日军的机动编队。由此可见，少校的这一决定是很有功劳的。日本的4艘航空母舰成菱形队形航进，以“飞龙”号为前导舰。小麦克拉斯基少校将其轰炸机机群分成两组，向西南的两艘航空母舰突击。这两艘航空母舰正是“赤城”号和“加贺”号。如同斯普鲁恩斯所预料的那样，两舰的飞行甲板上排满了已加完油正准备起飞的飞机。美军飞机就将炸弹倾泻在这些飞机中间，直到把向下俯冲的机身拉平，也未遭到任何日机的拦截。这时，两艘航空母舰已烈火冲天。与此同时，右翼舰“苍龙”号也被“约克城”号舰载机击伤起火。
“约克城”号的舰载机群，比“企业”号和“大黄蜂”号的舰载机群晚起飞一个多小时，但因天气顿时转晴，它们在途中追上了那两艘航空母舰的机群，并发现了敌人。结果，“约克城”号的舰载机群出乎意料地与“企业”号的俯冲轰炸机群同时实施了攻击。从东面接敌的“约克城”号舰载机，集中力量对最近的一艘航空母舰“苍龙”号进行突击。美鱼雷机中队从日舰艏方向突击，虽有6架战斗机拼命进行掩护，但12架飞机中仅有5架投射了鱼雷（无一命中），2架返回航空母舰。但是，背着太阳突防的俯冲轰炸机群既没受到战斗机的拦截，也没遭到高射炮的猛烈抗击。“约克城”号的俯冲轰炸机，前面的13架飞机已把“苍龙”号炸毁，使其完全被火焰吞没。因此，后面的4架飞机就去攻击其他目标了。
美军非常走运的是正当日本航空母舰给飞机加油时对其进行了袭击。如果日军不是处于这种状态，美军仅仅击中几颗炸弹是不会使日本航空母舰受到毁灭性打击的。
“约克城”号遭到攻击（6月4日）
日本4艘航空母舰中已有3艘丧失战斗力，但位于菱形队形最前面的“飞龙”号却未受到什么损伤。10时刚过，由18架俯冲轰炸机和6架战斗机组成的突击机群从“飞龙”号起飞。1小时后，又有10架鱼雷机和6架战斗机出动。据侦察机报告，美军有一艘航空母舰。日军指挥官认为，上述兵力足以对付得了这艘航空母舰。在此期间，南云好不容易才被说服从烈火熊熊的“赤城”号转移到一艘巡洋舰上。据近藤判断，登陆输送队不会受到袭击，便率领兵力强大的第2舰队前去加强对机动编队的掩护。
12时前后，“约克城”号的侦察机刚刚离舰。担任空中掩护的战斗机正在加油，返航的突击机群准备着舰时，该舰雷达发现“飞龙”号的舰载机来袭，距离不到50海里。于是，“约克城”号立即停止如油，命令飞行甲板上的战斗机起飞应敌，并令返航的轰炸机暂停着舰。这时，各护航舰只组成一个标准的环形警戒幕，在“约克城”号的左航方和右前方各配置一艘巡洋舰。
“企业号和“大黄降”号担任空中掩护的战斗机前来助战，加上“约克城”号担任空中掩护的战斗机，共有28架。这些战斗机拦截得十分有力，把日军突击机群冲散，仅有8架日轰炸机得以突防，并轰炸了“约克城”号。结果，击中3颗炸弹：一颗炸穿了飞行甲板，另一颗在下甲板爆炸，使得临近的弹药舱进水；还有一颗在通风管内爆炸，炸坏两个锅炉，除一个锅炉外，其他锅炉全部熄火。
损管作业没花很多时间。很快扑灭了大火，飞行甲板的穿孔得到了修补，锅炉重新点火。约于14时30分，“约克城”号正以20节航速前进，再次给战斗机加油时，该舰雷达发现：“飞龙”号鱼雷机又来袭击，距离约为40海里。“约克城”号再度中断加油，并引导担任空中掩护的战斗机前去截击。这时，停在“约克城”号飞行甲板上的战斗机也陆续起飞。
日军飞机在进入“约克城”号的舰炮射程之前，已被美军战斗机击落数架。美军于2小时前遭到袭击后，已从斯普鲁恩斯的编队中调来2艘巡洋舰和2艘驱逐舰加强“约克城”号的警戒力量。虽然警戒舰只对日军飞机进行了猛烈的射击，但是仍有数架日机突防成功。约克城”号迅速机动避开两条鱼雷，可是另有两条鱼雷命中其左舷中部。三个锅炉舱进水，烟囱冒出白烟，舰速减慢，终于停车，舰体向左舷严重倾斜。
此时，该舰已无力把左舷油舱的燃油收到右舷油舱，也无力向右舷隔舱注水，以恢复平衡。倾斜度眼看就要增大到26度，很有立即倾覆沉没的危险。因此，舰长于15时下达“全体舰员离舰”的命令。驱逐舰前来援救舰员。入夜，警戒舰只撤离，仅留“休斯”号驱逐舰担任警戒，一旦需要时将“约克城”击沉，以免被日军俘获。
“飞龙”号沉没
“飞龙”号舰载机的第二次攻击刚一结束，3小时前从“约克城”号起飞的一架侦察机就报告：“飞龙”号航空母舰在西偏北面约100海里处。”斯普鲁恩斯决定予以攻击。16时许，从“企业”号起飞24架轰炸机（其中10架原是“约克城”号的），从“大黄蜂”号起飞16架轰炸机，先后向目标飞去。但是，都没派战斗机护航，因为斯普鲁恩斯认为，必须用全部战斗机来保卫己方的航空母舰。
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。
中途岛夜战（6月4日）
“约克城”号航空母舰已被放弃，舰载机损失严重。鱼雷机无一幸存，轰炸机和战斗机也受到很大损失。然而，日军用以夺取制空权以及制海权的飞机，也同样已经荡然无存。而制空权却转到疲惫不堪的“企业”号和“大黄蜂”号的飞行人员手中。6月4日的战斗已经决定了中途岛海战的胜负。但是，参加战斗的大多数指挥官还不能立即作出这样的判断。如果斯普鲁恩斯的判断稍欠妥当，海战的高潮可能向后推迟，其结果也许会截然不同。
4日，从白天到夜晚，中途岛上的美军官兵一直在焦虑不安地关注着海战的发展。他们没有得到关于美国航空母舰获胜的确实消息，仅仅知道中途岛的岸基飞机遭到严重损失，因而觉得未必能给予敌人以重创。这天下午，B…17型轰炸机分成几组，前去攻击日军的机动部队，但是无一命中。海军陆战队得知，在中途岛西北200海里处有1艘航空母舰正在燃烧，则派残存的11架俯冲轰炸机于19时出击。但因下雨，云层很低，未能发现目标。几乎与此同时