“赤城”號喪失旗艦的指揮能力後，第8巡洋艦戰隊司令官阿部弘毅海軍少將在他自己的旗艦“利根”號重巡洋艦上臨時擔任對南云部隊的指揮。與此同時，第2航空戰隊司令官山口多聞海軍少將接替了對空中作戰的指揮，這主要因為山口海軍少將的旗艦“飛龍”號航空母艦，是惟一沒有受到損傷的航空母艦。
山口是一個狂熱的軍國主義者，又是一位頭腦清晰而又能當機立斷的指揮官，雖然敗局已定，但只要還一點戰斗力量，他就決心繼續打下去。
10時50分，阿部向山口發出命令：“攻擊敵航空母艦！”
山口隨即打信號回答：“我們的全部飛機將立即起飛，前去消滅敵航空母艦。”
自命不凡的山口對于眼下的危機局面有自己的打算，他認為這正是他大顯身手的好時機。他要立刻派出飛機去痛擊竟敢染指第1航空艦隊的特混艦隊……他要孤軍奮戰，反敗為勝，力挽中途島戰役的敗局……他要在凱旋日本時，讓南云灰溜溜地跟在自己的後面。這一幕幕戲劇性的畫面正在山口的腦海中編織著。
“赤城”號、“加賀”號和“蒼龍”號所遭到的不幸，使第2航空戰隊的參謀們驚恐不已。但是，山口卻表現得非常鎮定。他說：“現在只剩下我們‘飛龍’號了。我們就是搭上性命，也要消滅這該死的敵人。”堅守在甲板下各戰位上的水兵們沒有看見海面上的戰斗場面，山口通過艦內通話系統把其他3艘航空母艦均遭重創，特別是“蒼龍”號正在燃燒的情況，向他們作了說明。山口在廣播喇叭中大聲說：“現在就要靠‘飛龍’號拼死一戰，為大日本增光了。”
山口將軍和艦長加來止男海軍上校到艦橋上和參戰們一一握手，時而還講上一二句激勵的話。聽到他們的講話，有的日本兵激動得連牙齒都打起顫來。
10時40分，由18架俯沖轟炸機和6架“零”式戰斗機組成的攻擊隊，在“飛龍”號飛行分隊長小林道雄海軍上尉帶領下起飛。
18架俯沖轟炸機平均分成兩個組，分別由小林道雄和山下途二海軍上尉率領。6架“零”式戰斗機中一馬當先的是重松康弘海軍上尉。在這支攻擊部隊中，轟炸機所占的比例太大，這種頭重腳輕的陣式是山口在匆忙中拼湊起來的。由于友永的第一波飛機還要准備對中途島進行第二次攻擊，所以山口將軍一時派不出更多的飛機，也不能組成水平轟炸機與俯沖轟炸機機種配組恰當的攻擊部隊。
11時整，阿部電令“築摩”號上的三號和四號偵察機：“報告敵航空母艦位置，為攻擊部隊帶路。”
10分鍾後，“築摩”號上的五號偵察機報告說：“敵位于方位70度，距我艦隊90海里。”
山口等到11時半，見還沒有新情況報來，就不耐煩地打信號給阿部：“請派出水上偵察機。應采取有效措施，掌握敵航空母艦的行蹤。”
山口的措辭儼然是發號施令者的口氣。而此時在作戰指揮關系上，山口是阿部的下級。山口如此向阿部發號施令，是他那迫不及待、野心勃勃內心世界的顯現。
小林帶著他的攻擊隊升空後，從4000米高度向美軍艦隊飛去。小林在空中一邊飛行，一邊認真搜索。
不久，他發現幾架美國艦載機正在返航，便示意他的飛行員悄悄地跟在敵機後面。
當小林的機群發現美國艦隊時，“約克城”號的雷達也發現了日方的一個機群在45海里外正從方位250度飛來。“約克城”號隨即發出信號，要各支援艦艇組成扇形編隊，以對付敵人空襲。
“阿斯托利亞”號和“波特蘭”號巡洋艦加速到30多節，分別駛至旗艦“約克城”號艦艏兩側，驅逐艦也在外圍布陣防禦。
負責航空燃料的機械師邁爾斯迅速著手清除輸油管路中的高辛烷值汽油，並注入二氧化碳。這是他自己發明的防火技術。
戰斗機代理指揮員佩德森海軍少校把他的12架“野貓”式戰斗機派上天，同時向第16特混艦隊的戰斗機指揮官請求增援。斯普魯恩斯立即從自己的16架戰斗巡邏機中派出6架前往支援。
日機編隊大約還在20海里外時，美機就迎面撲了上去。隨之而發生的是性能優越的“零”式機和數量上占優勢的“野貓”式機之間的一場空戰，其場面壯觀激烈，令人歎為觀止。
雙方的戰機一邊格斗，一邊接近“約克城”號。等空戰移到航空母艦上方時，大約已有10架日機被擊落。8架未被擊落的日軍轟炸機分成若干小組，開始向航空母艦發起攻擊。
布拉斯菲爾德所帶領的6架“野貓”式在激戰至“約克城”號上空時，就只剩下了他自己的一架，而且被3架日軍“零”式飛機緊緊纏住。他沉著應戰，瞄准3架日機中的長機，在不到300米的距離上扣動了扳機。日機中彈6發，打著螺旋起火墜落。
接著，布拉斯菲爾德又閃向左邊，在不到150米的距離上向另一架日軍轟炸機“嗒、嗒、嗒”地痛打了一陣。這架日機幾乎在他眼前爆炸，氣浪震得他那小小的“野貓”式忽起忽伏。
還有一架日轟炸機匆忙奪路向云層逃竄，但還沒等它逃脫，就被布拉斯菲爾德擊落。
但是，還是有6架俯沖轟炸機突破了美軍戰斗機的防線，投下了3枚250公斤的炸彈。
此時，站在航空母艦艦橋上的弗萊徹海軍少將望著飛近的日機說：“好吧，我把鋼盔戴上，現在我是無能為力了。”
“約克城”號的炮手們現在擔起了自衛的責任。日軍俯沖轟炸機以單機呈曲線逼近，這使炮手們頗難對付。等日機開始俯沖後，他們才猛烈開火，日機附近綻開了朵朵高射炮彈爆炸的黑色“花朵”。
“約克城”號右舷一側的機關炮一齊對准一架尖嘯著俯沖下來的日軍轟炸機開火，那架日機至少被截成3段，掉進航空母艦右舷後部不遠的海里。但飛機上的炸彈已經投了下來，擊中離四號炮座不到6米、離艦舷約5米的地方，炸死17人，炸傷18人。沒有受傷的人迅速接替傷亡人員，繼續射擊，不過火力已大大減弱。
這顆炸彈把飛行甲板中部炸出了一個直徑3米多的大洞，造成機庫里的3架飛機起火。其中，2架是“企業”號上的受損壞的飛機，另1架是“約克城”號的。“約克城”號的這架飛機不僅加滿了汽油，而且裝上了一顆1000磅重的炸彈，情況十分危險。
這時，負責機庫的軍官埃默森海軍上尉立即打開消防噴水裝置，很快將火撲滅，解除了危機。
另外一架日軍轟炸機剛剛俯沖投彈完畢，就被准確的炮火打得粉碎。被打碎的日軍轟炸機的碎片濺落在航空母艦拖起的浪花里。飛機投下的炸彈嘯叫著緊擦艦艉而過，入水後爆炸。炸彈的彈片殺死殺傷了後左舷炮的幾名炮手，在尾甲板上引起幾處小火。炮手們很快控制了火勢。