Остальные «Доунтлессы» ринулись в пике. Их встретил лишь слабый зенитный огонь, истребителей не было вообще. Эскадрилья МакКласки атаковала «Акаги» и «Кага». В 10.26 первая бомба попала в полетную палубу «Акаги». После 6 месяцев войны миф о неуязвимости авианосцев Нагумо разлетелся вдребезги.

Одна бомба попала в задний срез центрального элеватора «Акаги», пробила палубу и взорвалась внутри корабля, вызвав пожары. Платформа элеватора рухнула вниз в ангар. Более 60 самолетов, стоявших на полетной и ангарной палубах, были охвачены пламенем. А ведь большинство из них были заправлены и вооружены. Поэтому в считанные секунды ангар превратился в огненный ад, и средства внутрикорабельной связи вышли из строя. Еще одна бомба попала в кормовую часть полетной палубы, а одна разорвалась вблизи авианосца, крепко встряхнув его. В 10.46 адмирал Нагумо и его штаб были вынуждены по тросу спускаться из окна мостика в катер, стоящий у борта поврежденного авианосца.

Шедший рядом «Кага» был поражен 4 бомбами, а 5 бомб взорвались рядом с авианосцем. Одна из бомб попала в стоящую прямо перед мостиком небольшую цистерну с бензином и взорвала ее. Взметнувшееся пламя охватило мостик. Все находящиеся там, в том числе и капитан корабля, погибли. 3 остальные бомбы упали среди стоящих на палубе самолетов, и вскоре весь авианосец тоже был охвачен огнем.

Когда самолеты МакКласки начали пикировать на «Акаги» и «Кага», на сцене появились 17 пикирующих бомбардировщиков «Йорктауна». Хотя они взлетели на полтора часа позднее, капитан-лейтенант Маквелл Ф. Лесли выбрал более удачный курс, который привел его прямо на встречу с врагом. Эти самолеты выбрали своей целью «Сорю», и первая бомба попала в авианосец в 10.25. Через минуту в «Сорю» попали еще 2 бомбы. Первая взорвалась впереди элеватора № 1, а следующие две – прямо на элеваторе № 2. Снова разрывы бомб вызвали страшные пожары среди заправленных и вооруженных самолетов, стоящих на полетной и ангарной палубах. Авианосец был быстро охвачен пламенем, и уже через 20 минут команде было приказано покинуть корабль.

Американские пикирующие бомбардировщики повернули на восток к своим авианосцам, оставив позади себя 3 высоких столба дыма, поднимающиеся над горящими японскими авианосцами. Во время атаки были сбиты лишь несколько американских самолетов, но когда МакКласки выходил из пике, 2 «Зеро» увязались за ним. Он бросил свой «Доунтлесс» к самой воде, и стрелок-радист открыл огонь из спаренного 7,62-мм пулемета. Один «Зеро» был сбит, второму пришлось отвернуть. Однако во время этой стычки японские пули изрешетили SBD, который все-таки сумел дотянуть до своего авианосца. Сам МакКласки получил 5 пуль в левую руку и плечо. У другого SBD во время пикирования спаренный пулемет сорвался со шкворня. Обычно требовались 2 человека, чтобы поставить его на место. Но стрелок сумел удержать пулемет и даже сбил один «Зеро».

Возвращение стало более серьезной проблемой, чем японские истребители. На авианосцах подсчитали, что нужно идти на запад со скоростью 24 узла, чтобы принять самолеты. Однако кораблям приходилось несколько раз разворачиваться против легкого восточного ветра и развивать 27 узлов, чтобы поднять или посадить самолеты воздушного патруля. Поэтому соединение двигалось на запад со средней скоростью не более 12 узлов. Авианосцы сохраняли радиомолчание, поэтому, когда самолеты «Энтерпрайза» и «Хорнета» прибыли в указанную для посадки точку, они не обнаружили там своих авианосцев, которые находились в 60 милях от этого места. Самолеты начали ходить кругами в поисках своих плавучих баз и заметили их, когда горючее уже было на исходе. 17 пикировщиков «Йорктауна» сразу нашли свой авианосец, благодаря проницательности командира эскадрильи. Сначала они держались в воздухе, чтобы дать сесть истребителям, а потом японские самолеты атаковали «Йорктаун», и «Доунтлессам» пришлось улететь прочь. 15 самолетов сели на «Йорктаун», а у 2 кончился бензин, и они упали в море. «Энтерпрайз» также принял на борт несколько истребителей «Йорктауна». Один раненный пилот, садившийся на «Хорнет», не поставил гашетки пулеметов на предохранители, и когда «Уайлдкэт» коснулся полетной палубы, пулеметы начали стрелять, убив 5 человек и ранив еще 20.

Всего во время атаки от действий противника и в результате вынужденных посадок на воду «Энтерпрайз» потерял 1 F4F, 14 SBD, 10 ТBD. «Хорнет» потерял 12 F4F и 15 TBD. Потери «Йорктауна» составили 1 F4F, 2 SBD, 12 TBD. Но японцы дорого заплатили за эти 67 самолетов.

Когда адмирал Нагумо покинул горящий «Акаги», командование ударным соединением временно перешло к командиру сил прикрытия, а командование воздушными операциями взял на себя контр-адмирал Ямагути на оставшемся целым «Хирю».

Адмирал Ямагути немедленно приказал атаковать американские авианосцы. С «Хирю» взлетели 8 истребителей и 18 пикирующих бомбардировщиков под командой лейтенанта Митио Кобаяси. Они встретили несколько американских самолетов, которые привели японцев прямо к «Йорктауну». 2 «Зеро» по пути оторвались от группы, чтобы атаковать американские самолеты. Остальные самолеты «Хирю» были встречены воздушным патрулем, когда приблизились к «Йорктауну». К авианосцу прорвались лишь 8 «Вэлов». 2 были сбиты зенитным огнем, а 6 уцелевших сбросили бомбы на «Йорктаун», который маневрировал на скорости 30,5 узлов. Еще один «Вэл» был сбит прямо над авианосцем, но его бомба взорвалась на полетной палубе, вызвав пожар. Другая бомба, взорвавшись в корабельной трубе, вызвала большой пожар, разворотила дымоходы, разбила 2 котла и погасила топки почти во всех остальных 7 котлах. Третья бомба пробила 4 палубы и взорвалась в районе погребов боеприпасов и топливных цистерн, вызвав еще более сильный пожар.

Погреба «Йорктауна» были спешно затоплены, и аварийно-спасательная партия бросилась в бой. В 12.20, через 20 минут после первого попадания, авианосец из-за потери пара в котлах остановился. Пожары вывели из строя корабельный радар и большую часть радиоаппаратуры, вынудив адмирала Флетчера в 13.15 перенести флаг на крейсер. Адмирал Спрюэнс, находившийся на «Энтерпрайзе», принял на себя руководство действиями авианосцев.

Во время этой атаки были сбиты 3 японских истребителя и 13 пикирующих бомбардировщиков. Уцелевшие пилоты сообщили адмиралу Ямагути, что американский авианосец окутался дымом и потерял ход. После этого Ямагути встретился с пилотом разведывательного самолета «Джуди», взлетевшего с «Сорю» и теперь севшего на «Хирю». Пилот объяснил, что у него сломалось радио, и он поспешил назад лично сообщить, что соединение противника состоит из 3 авианосцев, а не одного, как сообщил самолет «Тонэ». Адмирал Ямагути быстро организовал новую атаку. К взлету были подготовлены 6 истребителей и 10 торпедоносцев (2 истребителя были с «Кага» и 1 истребитель с «Акаги»). Командовать ударной группой должен был лейтенант Ёити Томонага, руководивший утренним налетом на Мидуэй. На его собственном самолете был поврежден топливный бак, и было ясно, что назад на авианосец Томонага не вернется. Самолеты начали взлетать с «Хирю» в 12.45.

Тем временем аварийная партия «Йорктауна» предпринимала сверхчеловеческие усилия, чтобы дать авианосцу ход. В 13.40 были исправлены 4 котла, и раненный авианосец уже мог развить 20 узлов. Он уже возобновил полеты, когда радар одного из крейсеров засек японские самолеты в 40 милях от соединения. «Йорктаун», оторвавшийся от остальных американских кораблей немедленно поднял в воздух 8 «Уайлдкэтов» вдобавок к патрулирующей над ним четверке. 12 «Уайлдкэтов» атаковали противника, но не сумели остановить жаждущих мести японских пилотов. В 14.42 «Йорктаун» получил 2 попадания торпедами в левый борт. Взрывы разрушили топливные цистерны, заклинили руль и вызвали крен 17º, который через 20 минут увеличился до 26º.

Капитан 1 ранга Букмастер, опасаясь, что авианосец может перевернуться, в 15.00 приказал уцелевшим 2270 морякам покинуть корабль. 4 эсминца подошли, чтобы снять команду, остальные корабли сопровождения продолжали наблюдение за воздухом.