上午9时30分，从萨拉托加号起飞的14架鱼雷轰炸机尾随而来，向"天璇"号和"天权"号展开攻击。
然而他们在攻击帝国舰队的时候遭到帝国防空火力网的重创，损失了11架鱼雷轰炸机，米机所投鱼雷也全都没有击中。
指挥官林赛少校也在这次战斗中被帝国军高射炮击毙。
几分钟后，"天璇"号的侦察机按照之前重巡洋舰上起飞的侦察机的报告，成功找到了米国航母。
10时10分，由"天枢"号起飞的12架鱼雷轰炸机开始攻击"列克星敦"号，掩护他的6架"白鹤"式战斗机在面对15架米军战斗机，尽管战果可观，以损失一架战机的代价击落敌军八架战机。
但是12架鱼雷机中有10架被米国舰载机和防空火力击落，剩下的也因损坏严重返程时于海面迫降。
飞行编队指挥官，射向列克星敦号的5条鱼雷也无一命中。
10时20分，由于帝国军的攻击，米军飞机甲板开始执行给护航的战斗机加油加弹作业，无法准备反击。
正当米军战斗机在低空忙着驱赶帝国军鱼雷机时，米军舰队的上空出现了33架由乐云琦中校率领的从"天机"号和"天枢"起飞的"枭鸟"式俯冲轰炸机。
他们在即将放弃搜索的时候发现了为防止帝国军“鲛”号潜艇上浮而留在原地的米军驱逐舰，并跟随这艘驱逐舰航向找到了米军航母。
此时，米舰正在转向迎风的方向准备放飞战斗机，极易受到攻击。
10时24分，第一架换班的防空米军战斗机飞离飞行甲板时，乐云琦率领的33架"枭鸟"式俯冲轰炸机，分成2个中队分别攻击"列克星敦"号航空母舰和"萨拉托加"号航空母舰。
由于
。乐云琦中校是从空军战斗机王牌飞行员转到海军航空兵的，不熟悉俯冲轰炸的程序——他应该带领先头编队攻击较远的那条航母而不是近处的，因此导致几乎全部轰炸机向"列克星敦"号俯冲。
率领一队鱼雷机的王迪上尉意识到还有一条航母没有被攻击，他极力呼叫才召回了两架飞机参与轰炸。
他们完成了这场战役中最漂亮的轰炸：
三枚1000磅炸弹命中，第一枚和第三枚分别近失，而王迪投下的第二枚炸弹击穿了"萨拉托加""的飞行甲板并引爆了存放在机库中的飞机搭载航空炸弹，创造了一发炸弹击沉航母的战绩。
随后赶来的17架从"天机"号航空母舰上起飞的“枭鸟”式俯冲轰炸机攻击了"兰利"号航空母舰。
米军的3艘航空母舰刹那间变成了三团火球，堆放在甲板上和机库里的飞机以及燃料和弹药引起大爆炸，火光直冲云霄，短短的5分钟，米国三艘航空母舰被彻底炸毁了。
四月十一日2时55分，米国海军舰队总司令尼米兹上将否决了首席参谋提出的集中全部舰只在夜晚与帝国海军决战的挽回败局的方案，下令：“取消中途岛的反击行动。”
并且表示“所有责任由我一个人来担当，我回去向休伊·朗统领请罪。”
他把自己关进会客室，一连三天拒绝会见部下。
米国为了掩饰自己的惨败，避免挫伤部队的士气，四月十二日米国电台播放了响亮的海军曲，并宣称米国已“成为太平洋上的最强国。”
当惨败的舰队疲惫不堪地回到驻地时，珍珠港的米国官员竟举行欢庆游行以庆祝胜利。
帝国海军总司令陈继平事后评价道：“中途岛战斗是米国海军上百年以来的第一次
。决定性的败仗。它结束了米国的长期的海军强势，恢复了数百年前帝国海军力量在世界上的曾拥有的最强地位”。
同时，此战还给米军高层造成了难以愈合的创伤，这一痛苦的回忆直到战争结束一直挥之不去，使他们再也无法对战局做出清晰的判断