”號、“大黃蜂”號和“約克城”號組成這一情況後，毫不猶豫地決定馬上對美航空母艦發動進攻。

7時58分，18架俯衝轟炸機和6架零式戰鬥機從“飛龍”號的甲板上隆隆升空。曾經參加偷襲珍珠港的老兵小林道夫海軍大尉機警地尾隨著一些直接返回“約克城”號的美國飛機，向“約克城”靠近，在30海里處，被18架“野貓”式戰鬥機發現。隨之就是效能優越的“零”式機和數量上佔優勢的“野貓”式之間空前激烈的空戰，其場面壯觀激烈，令人歎為觀止。空中格鬥打得離“約克城”號越來越近。等雙方飛機廝殺到航空母艦上空時，已有10架日機被擊落，剩下的8架轟炸機穿過“約克城”號的護航艦艇在其周圍築起的防空火力網，向母艦猛衝。小林的飛機被擊毀，但是它的炸彈已投出，並掉在飛行甲板上爆炸，彈片四處飛濺。接著第二顆炸彈穿過前升降舵，在很深的底層爆炸。投向“約克城”的第三枚炸彈，在它的大煙囪裡爆炸，炸壞了6個鍋爐中的5個，致使它在水上動彈不得。

在這次襲擊中，日機的損失也不少，共有13架俯衝轟炸機、3架戰鬥機被擊落。但是山口已經顧不上這些了，10時30分，他命令襲擊中途島後正返艦待機的友永丈市大尉，率10架魚雷機和6架戰鬥機對美艦發動第二次攻擊。友永的座機在襲擊中途島時，左翼油箱已損壞。地勤人員提醒他說

“沒關係，用右翼油箱就夠了。”僅用右翼油箱是單程飛行，出去就回不來了。深深後悔是自己要求第二次轟炸中途島的友永已下定了戰死的決心。

在友永的帶領下，魚雷機隊冒著前所未見的猛烈炮火，向“約克城”號逼近。天空中佈滿了對空射擊爆炸後的碎彈片，看上去好像在下一場黑雪。有8架飛機瞬間就被炮火擊落，另外8架雖然突破了美艦的防禦彈網，但只有4架到達了投彈位置，並開始投彈。“約克城”號全速規避著魚雷的攻擊，但仍被3條魚雷擊中。“約克城”失去了航速，少頃，艦長巴克斯特海軍上校下令棄艦。後來這條彈痕累累的航空母艦在戰鬥結束後，由於受到一艘日本潛艇的攻擊，才極不情願地沉入大海。

“飛龍”號對美艦隊發動的第二次攻擊，也是日本人在這場海戰中發動的最後一次進攻。待攻擊隊返回“飛龍”號時，艦上的飛機已寥寥無幾。除6架戰鬥機外，只剩下5架轟炸機和4架魚雷機了。白天實施強襲已不可能了，山口決定待黃昏來臨時再進行出擊，爭取給美艦隊以最後一擊。

下午2時30分左右，正當“飛龍”號的艦員們狼吞虎嚥地吃著香甜可口的小豆年糕時，負責對空警戒的少尉突然發現從雲層裡冒出13架俯衝轟炸機。他大聲喊道

“飛龍”急速向左轉彎連續躲過了敵機的3次攻擊，但是，更多的美機俯衝下來。當時任“飛龍”副艦長的鹿江隆回憶說

“急急旋轉的鉅艦躲閃從正上方俯衝下來的敵機。快！快！大家都屏住氣。高射炮、高射機槍開始射擊，圓形陣中戰艦、驅逐艦同時開火。看到機翼下有黑色物體丟下來，直奔‘飛龍’號甲板。危險！全體立即臥倒。瞬間一陣閃光之後，發出強烈的爆炸聲，接著冒出黑煙。炸彈一連串的落下，13架俯衝轟炸機全部投下炸彈，又急急爬升。

“此時，‘飛龍’號的艦橋部位命中兩枚，甲板一枚。雖然一開始消防作業，但是一枚命中發電機的炸彈，其爆炸的威力將前甲板掀了起來，擋在艦橋的前面，以致看不清前方。而消防的速度跟不上火藥爆炸的速度，終於誘爆了炸彈和魚雷，引燃了汽油。隨著一聲巨響，火勢進入艙內，已無法挽救了。”

艦長加來請示司令官山口，是否讓全體人員馬上離艦。山口用低沉的語調回答

山口少將召集800多名倖存者進行訣別訓話

“我身為這個航空母艦戰隊司令官，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。最後讓我們面向日本國土的方向，三呼天皇萬歲吧！”

山口從身旁的一隻水桶裡倒了一杯淡水，同幕僚們黯然飲別。隨後他又把自己的黑色戰鬥帽遞給了他的參謀伊藤，作為紀念品。然後用布把自己綁在艦橋上，以便能和“飛龍”號的殘軀一起沉到數千米深的大洋中去。

在山本五十六接到“飛龍”號受到攻擊的電報之前，他一直堅持要集中中途島和阿留申方面的全部戰鬥力量，與美艦隊進行決戰。他的參謀們也不甘心就此罷休，黑島怪參謀暴跳如雷，痛哭流涕地向山本建議應該如何發起進攻。山本