Бомбардировщики устремились в контратаку, хотя основные надводные цели находились на расстоянии, большем, чем радиус полета большинства американских машин. Рэй Спрюэнс объявил, что постарается сократить расстояние между своим и неприятельским флотами, однако прекрасно понимал, что большинству летчиков вернуться не суждено. Истребители, не отправленные на сопровождение штурмовых групп, мужественно пытались противостоять нападению с воздуха — но были рассеяны превосходившими их как числом, так и маневренностью японскими истребителями «зеро», великолепно выполнявшими функцию прикрытия не столь быстрых бомбардировщиков. Лишь немногие из атакующих машин оказались сбитыми или поврежденными прежде, чем они оказались над авианосцами. Несмотря на отчаянные усилия корабельных зенитчиков, сброшенные врагом торпеды поразили оба борта «Хорнета», тогда как «Энтерпрайз» получил несколько огромных пробоин на взлетной палубе. Оперативное соединение 16 фактически перестало существовать — противник же понес весьма скромные потери. Впереди оставалось немало героических, отчаянных подвигов, но эту битву у Мидуэй американцы уже проиграли.
В то время, как капитан «Энтерпрайза» предпринимал отчаянные попытки спасти свой тонущий авианосец, а адмирал Рэй Спрюэнс поднимал флаг командующего на другом корабле, американские бомбардировщики тоже приблизились к соединению Нагумо, где были встречены волной японских истребителей. Американцы мужественно рвались к цели, однако в первую очередь оказались сбитыми медлительные самолеты-торпедоносцы, а затем многочисленные «зеро» атаковали сверху более маневренные пикировщики, стремившиеся во что бы то ни стало сбросить на врага свой бомбовый груз. Вдобавок корабли Нагумо, искусно маневрируя, уворачивались от атакующих самолетов, прикрываясь при этом еще и плотной завесой зенитного огня. Как и в Коралловом море, американцам все же удалось поразить один японский авианосец — допустим, «Кага». Но поскольку в цель попало не так уж много бомб, судно сталось на плаву. Так как вернуться и пополнить боезапас бомбардировщикам было уже некуда, у них не было и возможности завершить дело.
Скоро сражение вступает во вторую фазу. Адмирал Флетчер, находящийся на борту авианосца «Йорктаун», главной ударной силы Оперативного соединения 17, узнав о появлении японских авианосцев, тоже хотел принять участие в сражении — но оно началось прежде, чем он подошел к противнику достаточно близко. Его самолеты уже были готовы к взлету, когда от Спрюэнса поступило сообщение об ужасных разрушениях на его кораблях. С этого момента Джеку Флетчеру придется разрываться надвое, определяя, что делать дальше. Надо заметить, что оперативные планы и приказы, которыми он обязан был руководствоваться, являлись не менее запутанными, чем сложившаяся ситуация.