До этого момента и Флетчер, и Спрюэнс почти не представляли, как разворачивается битва. В 11.15 вернулись пикировщики «Йорктауна». Пока пилоты кружили в воздухе над кораблем, ожидая своей очереди на посадку, они с радостью сообщили, что потопили 1 японский авианосец. Адмирал решил, что противник обнаружен, и отправил 10 пикировщиков, чтобы прочесать северо-западный сектор на глубину 200 миль, что, собственно, и советовал Спрюэнс. Пикировщики начали взлетать в 11.33, освобождая палубу для посадки вернувшихся самолетов ударной группы.

Примерно в это время «Энтерпрайз» с «Хорнетом» тоже начали принимать самолеты своих ударных групп, которые возвращались мелкими партиями. Потери оказались ужасными. Переговорив с раненным МакКласки и другими уцелевшими пилотами, Спрюэнс и его штаб представили себе масштабы триумфа и трагедии, разыгравшихся примерно в 150 милях к западу. Из 32 пикировщиков «Энтерпрайза», отправленных в атаку, вернулись лишь 14. Большая часть пропавших просто упала в море на обратном пути, так как у них кончился бензин. Они атаковали вражеское соединение из 4 авианосцев под прикрытием линкоров, крейсеров и эсминцев. Самолеты МакКласки добились попаданий в 2 авианосца. Их полетные палубы были забиты самолетами, и взрывы бомб моментально превратили их в пылающий ад. Эти авианосцы наверняка пошли на дно. Пилоты видели, как пикировщики «Йорктауна» нанесли смертельный удар третьему японскому авианосцу, но четвертый остался цел. На «Энтерпрайз» вернулись только 4 из 14 самолетов 6-й торпедоносной эскадрильи. Их экипажи рассказали, что атаковали вражеское соединение, прикрытое большим числом истребителей «Зеро». Самое скверное, что американские истребители не прикрыли собственные торпедоносцы.

На «Хорнете» масштабы трагедии оказались еще больше. Из 59 стартовавших самолетов вернулся только Ринг с 20 пикировщиками. Они вообще не заметили противника. 39 самолетов пропали, но вскоре с Мидуэя сообщили, что 11 пикировщиков «Хорнета» сели на острове. Однако в любом случае все 15 торпедоносцев, а также 10 истребителей и 3 пикировщика погибли.

Историкам потребовалось много лет, чтобы из кусочков информации собрать целостную картину атаки, в ходе которой были уничтожены 3 японских авианосца. Именно она принесла американцам победу в битве при Мидуэе. Даже узнав, что в состав американского соединения, которое находится неподалеку, входит, по крайней мере, 1 авианосец, вице-адмирал Нагумо потратил непозволительно много времени на организацию атаки. Он хотел принять и перевооружить самолеты, вернувшиеся после атаки Мидуэя. Последний из них сел в 9.18, и в этот момент Нагумо повернул на курс 30º. Он двигался на северо-запад, готовя вторую сокрушительную атаку, которая должна была уничтожить американские корабли.

Через 2 минуты Кидо Бутай заметило первые самолеты Оперативного Соединения 16. Это были 15 самолетов 8-й торпедоносной эскадрильи «Хорнета», которой командовал капитан-лейтенант Джон К. Уолдрон. Сначала в течение 40 минут Уолдрон летел на запад следом за пикировщиками Ринга, но потом решил, что забрался слишком далеко. Хотя радиосвязь была ненадежной, Уолдрон связался с Рингом и изложил ему свои сомнения. После этого торпедоносцы повернули на юго-запад. За ними последовали истребители лейтенанта Грея, державшиеся много выше. Совершенно случайно поворот Уолдрона вывел его прямо на японские авианосцы, но Ринг продолжал лететь на запад. Лишь когда Ринг вернулся на авианосец, он понял свою ошибку. В 9.20 торпедоносцы 8-й эскадрильи отважно атаковали противника, но попаданий не добились. Облака помешали Грею увидеть их атаку, и истребители бессмысленно кружили в вышине, дожидаясь прибытия пикировщиков МакКласки.

После этого японские авианосцы обнаружила 6-я эскадрилья торпедоносцев «Энтерпрайза», которой командовал капитан-лейтенант Юджин Э. Линдсей. Он заметил вражеские корабли в 9.40, подходя с юго-запада. Линдсей попытался прорваться к авианосцам, находящимся в центре строя японского соединения, но истребители «Зеро» сбили 9 из 14 самолетов. Еще один торпедоносец сел на воду немного позднее. Торпедоносцы «Энтерпрайза» тоже не добились попаданий. И снова истребители Грея кружили над облачным слоем, даже не попытавшись помочь своим торпедоносцам. После этого Грей отправил 2 радиограммы на авианосец и полетел назад.

МакКласки, который вел пикировщики «Энтерпрайза», сначала проскочил мимо японского соединения. В 9.35 он понял свой промах, но в отличие от Ринга решил прочесать подозрительный район, пока запасы топлива не вынудят его возвращаться на авианосец. В 9.55 он заметил кильватерный след одиночного эсминца. Это был «Араси», который на большой скорости шел на северо-восток. МакКласки тоже направился туда и в 10.00 был вознагражден за свою проницательность. В 35 милях к северо-востоку он увидел японское соединение.

Но перед тем как самолеты МакКласки начали атаку, на сцену прибыла ударная группа «Йорктауна» — 17 пикировщиков, 12 торпедоносцев и 6 истребителей. Эти самолеты взлетели на час позже, чем авиагруппы Оперативного Соединения 16, однако полетели прямо к цели и прибыли раньше. В 10.03 японские авианосцы заметила 3-я эскадрилья торпедоносцев. Капитан-лейтенант Лэнс Э. Масси повернул свои самолеты прямо на них. И снова густая облачность и плохая радиосвязь не позволили провести скоординированную атаку. Под прикрытием 6 истребителей торпедоносцы Масси атаковали ближайший японский авианосец. Примерно в это же время сбросили торпеды и остатки 6-й эскадрильи торпедоносцев. Эти 2 эскадрильи и истребители «Йорктауна» утащили японские истребители за собой на малые высоты. В ходе боя были сбиты 10 из 12 торпедоносцев 3-й эскадрильи.

Самопожертвование экипажей Линдсея и Масси случайно расчистило путь пикировщикам МакКласки, летящим с юго-запада, и 3-й эскадрилье пикировщиков капитан-лейтенанта Маквелла Ф. Лесли, летящей с востока. В 10.20 ход событий резко изменился самым драматическим образом. В течение часа авианосцы Нагумо отразили несколько атак американских самолетов и сейчас готовились поднимать свои собственные авиагруппы. Но было уже поздно. К 10.30 пикировщики МакКласки нанесли смертельные удары авианосцам «Акаги» и «Кага», а эскадрилья Лесли покончила с «Сорю». Лишь авианосец «Хирю» не был атакован.

В 12.00 этот авианосец напомнил Спрюэнсу о своем присутствии, нанеся ответный удар Оперативному Соединению 17. Истребители «Энтерпрайза» и «Хорнета» помчались на помощь «Йорктауну», который теперь появился на горизонте. С кораблей Оперативного Соединения 16 можно было видеть вспышки выстрелов и клубки разрывов зенитных снарядов, затем над «Йорктауном» появился высокий столб черного дыма. Получив 3 попадания бомбами, авианосец потерял ход. Флетчер перенес флаг на тяжелый крейсер «Астория». Общее командование американскими силами перешло к Спрюэнсу. В 12.30 он по собственной инициативе отправил 2 тяжелых крейсера и 2 эсминца на помощь Оперативному Соединению 17. В 13.13, завершив полеты, он повернул свое соединение на северо-запад, чтобы подойти поближе к поврежденному «Йорктауну», самолеты которого были вынуждены садиться на «Энтерпрайз» и «Хорнет».

Самой большой проблемой для Спрюэнса был уцелевший японский авианосец. Его собственные авиагруппы понесли тяжелейшие потери, поэтому он приказал включить в их состав пикировщики и истребители «Йорктауна». Спрюэнс понимал, что у него просто не хватит самолетов, чтобы провести обширные поиски. Оставалось надеяться на самолеты, отправленные Флетчером в 11.45. Спрюэнс отверг совет Браунинга, который рекомендовал поднять поисково-ударные группы, чтобы попытаться поймать «Хирю».