由于岛上早有准备，南云的第一次攻击毫无收获。南云没有采纳防备敌舰袭击的建议，决定对中途岛发动第二次攻击。正当4艘航空母舰上的勤务人员匆忙为飞机换装炸弹时，中途岛对南云舰队的攻击开始了。南云的3架零式战斗机迅速投入战斗，美国海军6架攻击机或坠或逃。南云忠一轻轻地松了一口气。恰在这时，日军4号侦察机由于走错了航线，意外地发现了美国特混舰队，并立即发回了消息。突发的敌情变化使得盲目自信又墨守成规的南云忠一吃惊不小，他拿不定主意是攻击美国舰队还是进攻中途岛，因为进攻中途岛的飞机刚装上炸弹，南云的护航飞机已经很少了。第2航空母舰战队司令官敦促南云，应当立即攻击美国舰队，而南云却作出了暂时向北挺进，捕捉并歼灭敌机动部队的指示。这样，刚刚换上进攻中途岛炸弹的飞机不得不再次换装鱼雷和对舰炸弹，这些换下来的普通炸弹被任意搁置，最终导致了巨舰的引爆自毁。
6月5日6时25分，美国舰队的攻击开始了。然而，战斗力极强的日本零式战斗机3个小时内便击退了美军不下8次空袭。正当南云趁空袭间隙下达“第二攻击波准备起飞”命令时，美俯冲轰炸机群突然向航空母舰扑来。仅仅几分钟时间，南云的多艘舰只中弹起火，“赤城”、“加贺”、“苍龙”3艘航空母舰失去了作战能力，只剩下“飞龙”号航空母舰在山口多闻司令官的指挥下孤军奋战。下午2点30分，美军轰炸机发动了新的攻击，山口无奈地下达了弃舰命令，并把自己绑在舰桥上沉入海底。此时，像赌红了眼的赌徒一样的山本五十六已经明白，日本失败的命运已定。21点15分，他下达了停止攻击中途岛的命令。