斯普魯恩斯將軍判斷，如果在夜間繼續追擊遭慘敗的南雲艦隊，有可能會遇到日軍聯合艦隊的圍擊，弄不好他和弗萊徹將軍在白天贏得的勝利，夜間又會輸回去。因為他清楚，由於夜間他的航空母艦不能出動飛機，一旦陷入山本設置的圈套，他的艦隊就成了近藤的戰列艦、栗田的重巡洋艦炮火的活靶子。所以，當他的最後一批轟炸機返回航空母艦後，他便下令艦隊往東撤退，停止追擊。
山本焦急地等候美國人上鉤，一直等到午夜，仍未發現美國海軍艦隊的任何蹤跡。看來，山本這個所謂引誘美國人進行夜戰的計劃又是一相情願。原以為采取主動進攻可以挽救局勢，現在又使得山本陷入被動。
聯合艦隊的參謀們議論紛紛，有的建議轟炸並占領中途島，以便保全日本海軍的麵子，但聯合艦隊參謀長宇垣海軍少將堅決反對這個方案。他認為盡管日軍的戰列艦火力很強，但在靠近中途島之前，就會被美國飛機和潛艇的襲擊所消滅。
有人問：“我們就這次失敗如何向天皇謝罪？”
一直沉默不語的山本總司令終於開口：“這事交給我。”
山本轉身下達了“取消中途島戰役”的命令後，拖著沉重的腳步回到自己的艙房。他的胃病又犯了，病痛又折磨得他臉色蒼白，據說他把自己關在艙房整整3天，誰也不見。
日本各艦隊接到撤退命令後，運送登陸部隊的艦船掉頭開回塞班。近藤海軍中將和栗田海軍中將奉命與南雲中將會合，然後在西北麵同主力集合後一起返回日本。
日本人可謂漏船又遇頂頭風，栗田的巡洋艦隊的4艘重型巡洋艦，正以每小時28海裏的速度行駛在中途島西北約40英裏海麵，突然，瞭望哨報告發現了一艘美軍潛艇。前麵的兩艘艦艇立即左滿舵急轉彎，可是斷後的“最上”號收到信號為時已晚，便迎頭撞上了正在拐彎的“三隈”號重型巡洋艦。美國潛艇倒沒有發起魚雷攻擊，但是當時世界上速度最快、火力最猛的巡洋艦之一的“最上”號，艦首被嚴重撞壞，前麵的“三隈”號也受了重傷，迅速用斜撐頂住被撞壞的艙壁後，以每小時12海裏的緩慢速度繼續費力地向前開。
第二天清晨，中途島的岸基飛機，以及第16特遣艦隊的艦載機相繼出動，在海麵上空搜索日本艦隊。海軍陸戰的“無畏”式戰鬥機發現受傷的日艦“最上”號和“三隈”號，立即展開了攻擊。日軍炮手以猛烈的炮火反擊，擊落了一架美軍飛機。日軍兩艘重型巡洋艦沒有受到損害，繼續向西逃離。
6月5日下午，斯普魯恩斯從上午的偵察飛機帶回來的消息斷定，日本各艦隊都在向西撤退。於是，他繼續出動轟炸機襲擊這兩艘日本巡洋艦。直到第二天上午，美軍轟炸機才找到日軍的巡洋艦，然而這兩艘艦隻已經基本上癱瘓了，麵對美軍轟炸機的攻擊，已沒有還手之力。美軍飛行員高興地大喊：“上帝，這容易得像射擊水桶裏的鴨子。”
幾分鍾後，日軍重型巡洋艦“三隈”號身中數彈，燃起的大火伴隨著一陣爆炸聲，不久，就像一團巨大的火球沉入海底。另一艘日艦“最上”號也同樣受到重創，船體幾乎被火焰吞滅，勉強逃向了特魯克港口。
日本人放棄了入侵中途島的計劃，開始全麵撤退。但山本五十六在取消了夜間作戰的計劃後，仍然沒有徹底放棄報複美軍艦隊的希望。他認為如果美國人乘勝追擊，向西繼續推進，聯合艦隊便可以聯合威克島上的日本轟炸機，共同對美艦隊發起攻擊，這樣他仍然有贏得最後勝利的希望。
遺憾的是，斯普魯恩斯又一次猜透了日本人的意圖。
日本海軍聯合艦隊連連失利的消息傳到東京，海軍省和軍令部感到十分震驚。隨著戰局的發展，軍令部永野海軍大將越來越擔心中途島戰役會出現難以收拾的結果。他最擔心的是，山本大將為了挽回麵子，不顧嚴峻的局勢，動用全部艦隊力量與美國人硬拚。聯合艦隊幾乎是日本海軍的全部家當，一味蠻幹拚完了，後果不堪設想。
永野讓軍令部連續向山本發出幾封電報，命令其終止中途島作戰計劃，撤回本土海軍基地。
山本五十六大將徹底失望了。聯合艦隊這個從日本出發的龐大艦隊，此時已失去了原先威風凜凜、不可一世的傲慢，像一條鬥敗的鯊魚，遍體傷痕，麵目全非，灰溜溜地行駛在廣袤的海麵上。旗艦“大和”號的日本軍人們相視無言，有的臉上流淚，真是一幅淒涼的情景。
美國人放棄了“約克城”號航空母艦，以為它很快就會沉掉。在這一點上美軍艦長犯了個小錯誤，他不該過早地放棄了自己的艦隻。
6月5日，“約克城”號上兩位傷員從病房裏爬了出來，他們開炮尋求救援。聽到炮聲趕來的美軍驅逐艦“休斯”號發現了“約克城”號，當時艦上大火已熄滅。於是，“休斯”號和另一艘“哈曼”號驅逐艦一起參加營救。當時，“約克城”號的傾斜已經糾正過來了，就等著拖船來，把它送回珍珠港。
正在撤退的南雲艦隊上一架水上偵察機發現了“約克城”號，便派出了一艘潛艇去擊沉這艘航空母艦。6月6日下午，日本“伊-168”潛艇找到了“約克城”號，用一顆魚雷擊中“哈曼”號驅逐艦，將其劈為兩半，這艘艦隻很快就沉沒了。後來潛艇又用魚雷猛擊龐大的“約克城”號，使其灌滿海水沉入太平洋。慘遭失敗的日本艦隊，總算出了一口氣。
中途島海戰，是日德蘭海戰之後最大的一次海上較量。日本人以慘敗告終，損失了4艘航空母艦、1艘重型巡洋艦，2200多名水兵喪命，300多架飛機和最好的海上飛行員葬身大海。
東京海軍參謀本部極力掩蓋慘遭失敗的消息，通過廣播電台發布假戰報。4艘被擊沉的航空母艦上幸存的官兵，沒有被允許出岸，就匆匆派到日本和太平洋上的前哨基地，傷員是在夜間抬上岸的，送進與外界隔絕的醫院病房，並規定不準與親友會麵。
美國海軍取得中途島海戰的勝利，頭功應歸屬於太平洋艦隊情報部門。尼米茲上將在中途島戰役勝利後，曾在太平洋艦隊參謀部，當著參謀們的麵誇獎羅徹福特中校：“中途島勝利的主要功勞應該歸功於這位軍官。”當然，沒有尼米茲將軍大膽的戰略謀劃，美軍飛行員的勇敢以及第16、第17特遣艦隊斯普魯恩斯、弗萊徹兩位將軍冷靜的戰術指揮和準確的判斷，也是不可能取得這場海戰的勝利的。
這次海戰，是日本海軍350多年以來的第一次決定性的敗仗，打破了日本海軍不可戰勝的美夢。從此日本人喪失了太平洋戰爭初期所占據的製海權，日軍從此由勝轉敗，由全麵的進攻轉入守勢，而美軍則由防禦轉入進攻，掌握了太平洋上的主動權。