在對“約克城”號進行的第二次攻擊中，日機只有4架水平轟炸機和3架戰斗機返航，其余均被擊落。正如原來預料到的，友永海軍上尉的飛機沒有返航。橋本敏郎海軍中尉在另一架飛機上親眼看到了這位飛行隊長殉職。他說：“友永上尉的飛機，由于機尾是黃色的，所以當他沖進我從來沒有見過的如此猛烈的高射炮火時，是非常顯眼的。他投了魚雷，過了一會兒，他的飛機就被打碎了。在那樣猛烈的防空火力面前，沖上去對航空母艦實施攻擊，就等于自殺。”
“飛龍”號對美艦隊的第二次攻擊，也是人在這場海戰中發動的最後一次進攻。至此，“飛龍”號只剩下了6架戰斗機、5架俯沖轟炸機和4架水平轟炸機。
在日機對“約克城”號實施攻擊的過程中，美軍艦載機也對日艦“飛龍”號實施了多次攻擊。先後到達“飛龍”號上空並實施攻擊的有79架美軍飛機。“飛龍”號實在是太幸運了，它竟然地躲避了26條魚雷和大約70顆炸彈的攻擊。在曆經美軍飛機的多波次攻擊之後，“飛龍”號的艦員與早已精疲力竭，疲憊不堪。但是，山口仍決定利用黃昏的有利時機再次出擊，給美軍艦隊以最後的致命一擊。
15時31分，山口向南云報告：“我們計劃用尚存的全部兵力，于黃昏時發動攻擊，以殲滅殘敵。”
山口的樂觀似乎很滑稽可笑。其實不然。因為他確信他的飛機已擊沉或重創了2艘航空母艦。犯這種錯誤也很自然，因為他的第一波攻擊飛機報告說一艘航空母艦起火，第二波飛機又報告重創一艘敵航空母艦。山口並不知道兩次攻擊的是同一艘軍艦。雖然山口的飛機損失慘重，但他對兩次空襲的戰果很滿意。他打算把美國的殘兵敗將統統消滅。
此時，“飛龍”號在海上劈波斬浪、往返馳騁。艦上所有飛機都做好了起飛准備，艦員們齊聲高呼：“‘飛龍’號，報仇雪恨！”
正當山口計劃實施再次攻擊時，弗萊徹和斯普魯恩斯也在給山口艦隊設計著“墳墓”。
14時45分，斯普魯恩斯下令加拉赫率領艦上所有能參戰的俯沖轟炸機全部起飛。這個機群的飛機總共有24架，其中11架掛載重達1000磅的重型炸彈，其余飛機掛載重500磅的炸彈。
15時50分，全部飛機從“企業”號上起飛，撲向山口的艦隊。
17時，“飛龍”號艦員利用短短的戰斗間隙，正狼吞虎咽地吃著香甜可口的年糕團，孰料死神已悄悄向他們逼近。加拉赫率領的俯沖轟炸機隊已經接近“飛龍”號。
17時零3分，“飛龍”號望哨驚呼道：“敵俯沖轟炸機就在頭上了！”
只見13架美機背陽而下，向“飛龍”號直撲過來……
“右滿舵！”“飛龍”號的加來艦長一聲令下，航空母艦艦艏避開了頭3顆炸彈。
但更多的美機俯沖下來，“飛龍”號終于被命中4彈。巨大的爆炸聲震耳欲聾，黑色的煙柱騰空而起，艦面甲板被炸得朝上翻卷，大火在已裝好炸彈的飛機中間蔓延。
“飛龍”號的第三波攻擊飛機原定由橋本率領，他在待命出擊前本想抓緊時間打個盹。可他剛剛閉上眼睛，就聽到了“可怕的爆炸聲”，刹那間，又被令人窒息的濃煙所包圍。艙蓋被關閉，過道上擠滿了從底艙爬上來的人。又一聲劇烈爆炸把軍艦震得直晃，所有的燈都熄滅了。橋本憋得難忍，就朝著亮處跑去，想吸口新鮮空氣。那亮處原來是炸出來的洞。洞外一切都在燃燒，幸虧橋本戴著手套，才總算從洞里爬了出來。由于他沒戴帽子，火星濺在頭上，把頭發都燒著了。旁邊有個人遞給他一個防毒面具，盡管那面具被燒得只剩下一半，而且上面全是灰，橋本卻十分感激地把它接了過來。
加來艦長為避免再度中彈，只好指揮“飛龍”號全速前進。但由此而產生的風卻助長了火勢向全艦蔓延。當時位于“長良”號上的牧島看到，“飛龍”號從艦艏至艦艉一片大火，但是它仍然“像頭發了狂的牛一樣拼命地奔跑”。
這時，從“大黃蜂”號上起飛的15架美軍轟炸機也趕到了。由于“飛龍”號已是一團大火，不需要再對其攻擊，于是這批飛機轉而向“利根”號和“築摩”號巡洋艦發起攻擊。
21點23分，“飛龍”號完全失去航速，開始傾斜。由于不斷進水，傾斜達到15度。日軍艦員兩次進入機艙的拼死努力均告失敗，“飛龍”號已完全無法拯救。
這時，山口海軍少將通過“風云”號驅逐艦向南云海軍中將報告，他已命令“飛龍”號艦員棄艦。
6月5日2點30分，山口指示加來艦長，召集全體艦員到艙面集合。山口對集合在甲板上的大約800名能應召前來的艦員作最後的訓話：
“我身為戰隊司令官，對‘飛龍’號和‘蒼龍’號的損失負全部責任。我將與本艦共存亡。我命令你們全體離艦，繼續為天皇陛下效忠！”
山口的幕僚請求跟他一起留在艦上，但被山口堅決拒絕。他們只好忍痛向停在一旁的“風云”號驅逐艦轉移。臨別前，他們從身旁的一個淡水桶里倒了一杯淡水，就用這杯淡水與山口黯然飲別。
首席參謀伊藤海軍中校問山口：“是否有什麼遺言要托付？”
山口回答說：“沒有。”然後，山口隨手把他的黑色戰斗帽遞給了伊藤，作為紀念品。
山口還把伊藤帶著的一塊布要過來，以便把自己綁在艦橋上，確保可以同“飛龍”號一起沉到海底。
加來艦長決意自己留下來，因此懇求山口司令官離艦。山口同意了加來留下的請求，但自己堅決拒絕離艦。
暗淡的月光斜射在殘破的航空母艦的甲板上，山口和加來與他們的部下訣別了。
“飛龍”號的幸存人員已開始向“風云”號轉移。當最後一批人員離開“飛龍”號之後，山口和加來登上艦橋，向長時期以來在他們手下服役的人們招手訣別。
當時，日本海軍界曾普遍認為山口最有可能繼山本海軍上將之後接任聯合艦隊司令官。但是，這個曾在侵華戰爭中作惡多端、被聯合艦隊參謀長宇垣稱之為“最有遠見的”法西斯分子，此時此刻卻尋了短見。
遵照山口的最後指示，阿部海軍上校下令擊沉“飛龍”號。
5點10分，“風云”號和“夕云”號向“飛龍”號發射了魚雷。在一陣震耳欲聾的爆炸聲後，這艘龐大的航空母艦開始下沉。
東方剛剛開始發白，阿部海軍上校看到魚雷爆炸後，相信他的任務已經完成，隨即命令這兩艘驅逐艦撤離。
5點40分，“大和”號收到阿部海軍上校的報告稱：“飛龍”號已被擊沉。但1小時20分鍾後，派到東面尋找南云部隊的“鳳翔”號輕型航空母艦的一架偵察機發現，“飛龍”號仍然漂在水上。這架飛機報告說，它看到“飛龍”號上還有人，並對這艘仍然冒著煙的被棄軍艦拍了幾張照片。
事實上，“飛龍”號一直到8點20分左右才沉沒。甲板上的那些人是機艙人員。阿部的驅逐艦發射的魚雷恰好把下面甲板炸開一條出路，奇跡般地使這些被圍困在艦下層的人員逃了出來。“飛龍”號沉沒後，他們漂在水上，後來被一艘美國軍艦救走。
“飛龍”號在作戰中，包括自願與艦共存亡的兩位指揮官，共有416名艦員喪生。