美军舰队在6月5日受到情报问题困扰。河豚号潜艇不但没有攻击受损的两艘日军重巡洋舰，更向珍珠港传送残缺不存的发现报告。直到上午6时，斯普鲁恩斯才得悉日军舰队正在撤退。这使得第16特遣舰队需要花费不少时间拉近距离。美军随后的侦察多次发现起火的飞龙号，使得斯普鲁恩斯怀疑日军仍有一艘航母可以作战。虽然中途岛在日出前已经派出PBY和B-17索敌，但企业号和大黄蜂号直到下午3时12分左右才开始派出飞机攻击飞龙号。
由于飞龙号早在上午9时前后沉没，美日双方都没能找到预定目标。谷风号随后遭到中途岛和美军舰载机集中攻击，但只受到轻伤。由于天色渐黑，斯普鲁恩斯下令企业号向天空打开探照灯，指引美军舰载机返航降落。最上号和三隈号也在本日上午遭到中途岛的B-17、SBD和SB2U轰炸机攻击，不过没有受损；2艘巡洋舰在下午获得荒潮号和朝潮号2艘驱逐舰加入护航。
6月6日，美军侦察机再次发现最上号和三隈号舰，
并一度误传日军舰只编队中有战列舰和航空母舰。企业号和大黄蜂号的机队在早上9时开始攻击2艘重巡洋舰。由于最上号在抢修时丢弃了所有鱼雷，因而在遭到4枚炸弹击中后并未引起连环爆炸，损伤相对轻微；同行的三隈号则遭到至少5枚炸弹击中，并引爆舰上鱼雷，使得大火一发不可收拾。下午三隈号开始弃舰后，这支日军舰队又遭到美军第二波舰载机攻击，但最上号和荒潮号只受到轻伤。三隈号最终在傍晚沉没。不过，美军的约克城号也在同日遭到日军伊168号潜艇攻击，使得进水程度急剧恶化，护航的哈曼号驱逐舰也遭击沉。约克城号最终在6月7日早上沉没。
山本五十六在6月6日和6月7日仍尝试以瑞凤号航母引诱美军舰队夜战，但斯普鲁恩斯在6月6日晚上收回机队后便撤出战场补充油料。由于未能搜索到美军舰队，山本五十六在6月7日晚间率领舰队掉头返回日本。中途岛海战至此结束。
日本在海战后从各方面掩饰惨败事实。昭和天皇指派安藤纪三郎统筹相关的新闻审查，并对外宣称获得大胜。联合舰队在6月14日泊岸后，所有受伤的军人被立即送往医院隔离，健康的军人则逐步分散调派到西南太平洋前线。显然这些受到重创的军人
，仍没有办法回到本土安养，全部人员都禁止与亲友接触。山本五十六虽然为战败负上全责，但大本营为了将战果保密而没有将其撤职。（完结）
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