באותו לילה העביר פלטצ'ר את הפיקוד לספרואנס, לאחר שאיבד את נושאת המטוסים שלו, וזה החליט לסגת עם כוחותיו מזרחה. לדידו, הוא הסב נזק כבד לאויב ולא היה טעם להסתכן בקרב לילה שבו תהיה ליפנים עדיפות בספינות גדולות, מאחר שלא ניתן היה להטיס מטוסים בחשכה. בנוסף גם אבד חלק ניכר ממטוסי נושאות המטוסים, בעוד ליפנים היו עדיין נושאות מטוסים קלות באזור, ועליהן יותר מ־100 מטוסים.
ה־5 וה־6 ביוני.
בשעה 02:55 היה כוח הסיירות של קוריטה בדרכו להפגיז את מידוויי, כשקיבל פקודת ביטול, מכיוון שהיה ברור שאם יפגיז יהיה עליו לסגת לאור יום ותחת איום מטוסים אמריקנים. בנסיגתם הבחינו היפנים בצוללת אמריקנית, ובעת תמרוני חירום התנגשו שתי הסיירות האחרונות בטור וספגו נזקים. הנזק שנגרם למוגאמי אילץ אותה להפליג במהירות איטית ביותר, ואילו מיקומה ניזוקה קלות בלבד. על מנת שלא לחשוף את כל כוחו לאיום המטוסים האמריקנים, הורה קוריטה למיקומה ולשתי המשחתות ללוות את המוגאמי, והוא עצמו הפליג לכיוון כוחו של יממוטו. מטוסים ממידוויי איתרו את הכוח המשתרך בשעה 06:30, ולאורך כל היום, עד שעות החשכה, ספגו הספינות היפניות הפצצות כבדות ונזקים מידי מפציצים ממידוויי. ההתקפה נמשכה בבוקר המחרת (6 ביוני), ובשלב זה ספגו כל הספינות היפניות פגיעות, ומאות מלחים וקצינים נהרגו ונפצעו. הסיירת מיקומה טבעה בשעה 12:00, מוגאמי ניזוקה קשות, וכן שתי המשחתות. יממוטו ביקש להציל את מה שנותר מהכוח ופקד על יתרת הצי להתקרב אל הכוח הפגוע, אך היה זה צעד מיותר, היות שהאמריקנים לא שבו לתקוף את הספינות הפגועות.
בזמן שהאמריקנים הפציצו את הסיירות היפניות, התברר שהשריפה ביורקטאון כבתה ושהספינה עדיין צפה על המים. ספינת הגרר "ויראו" הנחיתה צוות טכני קטן על הספינה והחלה לגרור אותה לכיוון פרל הארבור. משנודע הדבר לפיקוד העליון, נשלח צוות גדול על גבי המשחתת "המן" בלילה שבין ה־5 ל־6 ביוני כדי לספק הגנה. הצוות כלל 250 טכנאים ומלחים, ומטרתו הייתה שיפוץ שטחי של נושאת המטוסים ועזרה לספינת הגרר. צוות החילוץ כלל עוד שתי משחתות בנוסף ל"המן", שהיו אמורות לשמור על נושאת המטוסים הפגועה.
הצוללת היפנית I-168, שהגיעה לאזור בשעות הצהריים המוקדמות ב־6 ביוני הבחינה בנושאת המטוסים הפגועה מוקפת במשחתות. הצוללות התקרבה עד כדי 1,900 יארד, ובשעה 13:35 שיגרה ארבעה טורפדו. שניים מהם פגעו בנושאת המטוסים ופערו חור בצידה. טורפדו נוסף פגע במשחתת המן, שנבקעה לשניים והתחילה לטבוע. הצוות ביקש להינצל על ידי קפיצה למים, אך פצצות העומק שהיו על המשחתת התחילו להתפוצץ ורוב הצוות נספה. הנזק שנגרם ליורקטאון היה כה גדול עד שניסיונות התיקון נזנחו, ובשעה 05:01 ביום ה־7 ביוני שקעה נושאת המטוסים.
לאחר מרדף קצר אחרי הכוחות היפנים המזדנבים, הורה ספרואנס לכוחותיו לסגת מזרחה, וזאת כדי להימנע מכניסה לטווח ההתקפה של מפציצים יפנים מהאי וייק, ולאחר זמן מה שבו הכוחות לפרל הארבור.
ניתוח הקרב.
הגורם המכריע ביותר בקרב מידוויי היה פיצוח הצופן היפני בידי האמריקנים. בדרך זו נודעה לאדמירל נימיץ תוכנית המבצע היפני לפרטיה, ולכן היה יכול להיערך אליה בהתאם. מן הצד היפני ניתן לומר שהצי היפני המשולב לא נקט באמצעים מיוחדים לשמירת הסודיות, כפי שעשה בפרל הארבור, ועל כן עלה בידי מפענחי הצפנים האמריקנים לגלות את פרטי המבצע. לעומת זאת, המודיעין היפני לגבי הכוחות האמריקנים היה חסר במקרה הטוב, ושגוי במקרה הרע. בערב הקרב העריכו היפנים שנושאות המטוסים האמריקניות פועלות באותה עת באיי שלמה ולא תקחנה חלק בהגנה על מידוויי, וזאת בהסתמך על מודיעין לקוי ועל כישלון מבצעי הסיור מעל הוואי. כמו כן, פעילות קשר חריגה באזור הוואי בימים שלפני המבצע לא זכתה ליחס רציני מצד הצי המשולב.
אדמירל יממוטו ביקש להשיג עליונות מקומית מכרעת, וגייס כמעט את כל כוחות הצי היפני למשימה, אך בעוכריו עמדה העובדה כי הפיקוד העליון היפני שינה את התוכנית המקורית, והוסיף עוד שני מבצעים למשימה העיקרית: תקיפה בצפון האוקיינוס השקט, וכיבוש פורט מורסבי בגינאה החדשה. מבצעים אלה גזלו משאבים יקרי ערך, שנגרעו ממצבת הכוחות עליהם ביסס יממוטו את תוכניתו, שכן שתי נושאות מטוסים נשלחו להתקפה לאיים האלאוטיים, ושתי נושאות מטוסים נוספות שנועדו לתקיפת מידוויי יצאו מכלל פעולה לאחר קרב ים האלמוגים, שנערך מסביב לפלישה לפורט מורסבי. כך אבדו ליממוטו כלים בעלי חשיבות רבה.
שגיאה נוספת הייתה החלטתו של יממוטו לפצל את כוח התקיפה לארבע יחידות נפרדות, שהיו במרחק של מאות מילים ימיים זו מזו. התוכנית הניחה רמת שיתוף פעולה שקשה היה להשיג באמצעים הטכנולוגיים בזמנו, אך למעשה משמעות פריסת הכוחות בצורה כה נרחבת הייתה שכוחות המשימה השונים לא יכלו לחפות זה על זה. אף על פי שעל כוח נושאות המטוסים של נגומו הוטל לתקוף את מידוויי ולספוג את התקפת־הנגד האמריקנית הראשונית, כלל הכוח רק שתי אוניות מערכה, שתי סיירות כבדות וסיירת קלה אחת. לעומת זאת, הכוח העיקרי של יממוטו ושל קונדו כלל שתי נושאות מטוסים קלות, חמש אוניות מערכה, ארבע סיירות כבדות ושלוש סיירות קלות, מהן אף לא אחת השתתפה בקרב. בנוסף, פריסה נרחבת זו מנעה מכוח נגומו את השימוש במטוסי תצפית שהמריאו מנושאות המטוסים הקלות ומהסיירות בכוח העיקרי, וכן את הגנת הנ"מ שסיפקו הסיירות. הסיבה למשגה זה נעוצה בהיאחזות הפיקוד העליון בדעה שאוניות המערכה הם הכלים העיקריים בצי, בעוד תפקיד נושאות המטוסים הוא לספק להן סיוע. האמריקנים, לעומתם, הבינו את היתרון הגלום בשימוש בנושאות מטוסים ככוח התקיפה העיקרי.
לצד משגי התוכנית, שגה אדמירל נגומו בפיקוד הטקטי על הצי היפני. פריסת הצוללות שנועדו לאתר את הצי האמריקני בצאתו מהנמל יצאו, והגיעו לנקודת ההיערכות, באיחור של מספר ימים, וכך לא עלה בידיהן לאתר את האויב. בנוסף, בקרב עצמו היו הסיורים האוויריים מרושלים, שכן יצאו באיחור ולא גילו בזמן את הכוח האמריקני. כמו כן, לא הוקצו כוחות עתודה, וכל נושאות המטוסים השתתפו בשליחת הגל הראשון, תחת שכל זוג נושאות מטוסים תשגר גל אחד, והזוג השני יהווה עתודה. כתוצאה, לא עמדה לרשותו נושאת מטוסים פנויה לשיגור התקפת נגד כשגילה מטוס הסיור את האמריקנים. ייתכן ששגיאתו הגדולה ביותר של נגומו הייתה החלטתו לקלוט את מטוסי הגל הראשון לפני ששיגר את הגל השני. אמנם החלטה זו נבעה מרצונו להגן על מפציציו מפני תקיפה ללא חיפוי מטוסי קרב, אך למעשה בכך דן אותם למוות על סיפוני נושאות המטוסים שלו, עת התחילה ההתקפה האמריקנית.
גם בהתחשב ברשימת ליקויים זו, עדיין יכול היה הצי היפני, שהיה חזק בהרבה ממקבילו האמריקני, לנצח בקרב. אף לאחר טיבוע ארבע נושאות המטוסים של כוח המהלומה, היו בידי הכוח העיקרי וכוח הפלישה שתי נושאות מטוסים, ושתיים נוספות בכוח הצפוני. לו היה מקבץ יממוטו את כל נושאות המטוסים האלה ביחד עם כלי השטח שלו, היה יכול להנחית מהלומה קשה על שתי נושאות המטוסים האמריקניות וליוויין. אולם, יממוטו בחר לבטל את המבצע ולסגת.
בצד האמריקני נמתחה ביקורת על אדמירל ספרואנס על כך שלא דלק אחר הצי המשולב הנסוג, ועל שהניח לו להימלט. אולם, משמעות מרדף כזה הייתה שהצי האמריקני עתיד היה להגיע לעמדות תקיפה לאחר רדת החשיכה, ולכן לא יכול היה להשתמש במטוסיו. לפיכך צדק ספרואנס בנסיגתו, שכן, כאמור, בקרב לילי של כלי שטח הייתה ידם של היפנים על העליונה ללא ספק, וקרב כזה עשוי היה לעלות לאמריקנים ביוקר. בנוסף, לאחר קרבות אוויר קשים, רבים מהם ללא ליווי מטוסי קרב, הביאו לאובדן מפציצים רבים. כלומר, אפילו אם היה בידי כוחות המשימה האמריקנים להשיג את היפנים הנסוגים, סביר להניח שלא היו ברשותם מספיק מטוסים כדי להנחיל ליפנים תבוסה.
השלכות.
קרב מידוויי זכה לכינוי "קרב המפנה של המערכה באוקיינוס השקט", והיה הניצחון המשמעותי הראשון של בעלות הברית על האימפריה היפנית. כתוצאה מהתבוסה נטתה העוצמה הימית באוקיינוס השקט לצד ארצות הברית, והצי היפני נותר חבול במידה כזו שיכול היה להתעמת עם האמריקנים רק בלילות, או בחיפוי מטוסים מן היבשה. משלב זה ואילך, עברה היוזמה ההתקפית לידי האמריקנים והיפנים עברו למגננה ברוב אזורי האוקיינוס השקט.
אובדן ארבע נושאות המטוסים היפניות הייתה מכה קשה ביותר לצי הקיסרי, ויפן אבדה את תנופת התקדמותה. התעשייה היפנית לא הצליחה להדביק את קצב הייצור של זו האמריקנית, וכך מצא עצמו הצי הקיסרי עד מהרה בנחיתות מספרית מול הצי האמריקני. אך יותר מאובדן נושאות המטוסים, קשה היה אובדן הטייסים המנוסים, וצוותי נושאות המטוסים. טייסים ואנשי צוות אלה היו המנוסים והמיומנים ביותר ביפן, זאת לאור העובדה שצברו ניסיון קרבי רב בחודשים שקדמו לקרב מידוויי. התוכנית היפנית המקוצרת להכשרת טייסי קרב לא הייתה יכולה למלא את מקומם של טייסי הקרבות הוותיקים שאבדו, ואלה מהם שנותרו בחיים המשיכו בתפקידים מבצעיים, תחת שיעברו לבסיסי ההדרכה כדי להכשיר טייסים חדשים. כך צנחה הרמה המבצעית של הצי היפני, בעוד זו האמריקנית טיפסה בקצב מהיר.
בתפישה היפנית הייתה התבוסה כה חמורה, עד כי חל איסור חמור על כל המשתתפים בקרב להעלות על דל שפתיהם את אשר התרחש. לציבור היפני ולמרבית הפיקוד הצבאי נמסרו ידיעות על ניצחון מזהיר של הצי הקיסרי, והפצועים נשמרו בבידוד לבל יוכלו להפיץ את האמת על תוצאות הקרב. רק בתחילת שנות החמישים נודעו לעם היפני קורות הקרב אשר בעקבותיו איבדו את היוזמה ההתקפית ונכשלו בתוכנית לנצח את ארצות הברית.