Отразив атаку и не дожидаясь возвращения второй волны, Нагумо вновь поднял дозаправленную и перевооруженную первую волну для повторного удара по кораблям Спрюэнса. Сразу после этого его авианосцы неожиданно атаковали самолеты так и не обнаруженного японцами соединения Флетчера, вылетевшие повторно и все-таки нашедшие свою цель. Атака янки вновь была не скоординирована, но на этот раз успешна. Торпедоносцы были выбиты японским истребительным барражем и зенитной артиллерией почти поголовно, но своими самоубийственными действиями они отвлекли внимание японцев от подошедших чуть позднее пикировщиков, и тут победа наконец-то пришла к американцам – флагманский авианосец «Акаги» был поражен двумя, а «Кага» четырьмя тысячефунтовыми бомбами. Их авиагруппы, возвращаясь из налетов и наблюдая свои пылающие корабли, вынуждены были рассаживаться по авианосцам 2-й и 5-й дивизий.
В то же самое время, когда команда японского флагмана боролась за живучесть своего корабля, взлетевшие с него несколько ранее самолеты, ведомые самим капитаном второго ранга Мицуо Футидой – флагманским летчиком палубной авиации Японии, обрушили свой смертоносный груз на недобитые в первом налете корабли Спрюэнса, довершая разгром шестнадцатого оперативного соединения Тихоокеанского флота США. Повторный удар по соединению Спрюэнса имел своей главной целью «Хорнет», мало пострадавший от первого налета. Именно на него обрушилась вся ярость атак самолетов первой дивизии. На сей раз отвертеться последнему авианосцу Спрюэнса не удалось. «Зеро» с легкостью разметали жиденький воздушный барраж, после чего пикировщики и торпедоносцы приступили к своей разрушительной работе.
«Хорнет» получил попадания четырех торпед (все в левый борт) и пяти авиабомб и менее чем через час после начала атаки опрокинулся и затонул после мощного внутреннего взрыва. «Йорктаун», сумевший после первого налета с помощью контрзатоплений уменьшить крен до приемлемого, получил еще одну торпеду и четыре новых бомбовых попадания. С трудом взятые под контроль пожары после новых повреждений вновь охватили большую часть корабля, заставив вскоре загасить котлы и прекратить борьбу за живучесть корабля. Экипажу была отдана команда покинуть корабль, а эсминцы, окончив подбирать людей из воды, добили обреченный авианосец торпедами.
А вот «Энтерпрайзу» повезло. После первого налета у него была разворочена вся полетная палуба, а на ангарной бушевал сильнейший пожар. О том, чтобы принимать и обслуживать самолеты, не могло быть и речи, поэтому пострадавший корабль под прикрытием легкого крейсера «Хелена» и нескольких эсминцев отправили на Гавайи, что позволило ему счастливо избежать встречи с самолетами второй волны японской атаки на 16-е соединение. Зато не повезло артиллерийским кораблям. Летчики 5-й дивизии, не обнаружив третьего авианосца и решив, что он затонул от последствий первого налета, обратили все свое внимание на линкор и поврежденный в первом налете «Честер». Крейсер, плохо слушавшийся руля, получил в корму еще по одной торпеде в каждый борт, а также шесть прямых попаданий авиабомб и несколько близких разрывов, после чего, высоко задрав нос, затонул в течение каких-то семнадцати минут.