南云心急如焚地等着关于大约1小时前发现的那些美舰舰种的报告。偏偏这时候，讨厌透顶的美俯冲轰炸机又死缠着“飞龙号”和“加贺号”。南云的心情很糟。07：58他收到“利根号”上四号侦察机的无线电报告：“04：55，48敌航向80°，航速20节（04：58）。”
从这份报告中可以看出，敌舰队的航向发生了重大变化。这本应给“赤城号”舰桥上的人敲起警钟，因为美国人转向逆风，无疑是准备从舰上发射飞机了。每当“赤城号”转向逆风发射飞机时，南云不是经常站在这个位置吗？
然而，从史料记载以及幸存者的回忆中都看不出南云、草鹿或源田当时曾考虑到这一点。此刻南云急于要查明在他的东北方向游弋的敌舰的舰种，显然忽视了敌舰的方位及航向问题。他怒气冲冲地命令四号侦察机的驾驶员：“查明舰种（05：00）。”
此刻，南云不仅心绪不宁，而且思路已乱。敌俯冲轰炸机不停地在上空呼呼盘旋，越来越多的陆基飞机嗡嗡而至。敌机发动机的隆隆声、截击机的呼啸声、炸弹的爆炸声以及高炮轰轰的怒吼声响成一片。舰桥上的军官们听不见对方在说什么，甚至连广播中下达的是什么命令也听不清楚。
亨德森的SBD刚进入战斗，“苍龙号”就向南云报告了更坏的消息：“我上空270°发现敌双引擎飞机14架，高度3000米。”5“苍龙号”的观察哨显然连数数都不会了，因为这些飞机是斯威尼率领的四引擎B-17。
那天清晨，斯威尼率“飞行堡垒”出发，想再次寻猎田中部队。拉姆齐曾提醒他要准备随时奉命改变攻击目标，对付海军可能在西北方向上发现的敌航空母舰部队。如这些航母到时候还没有出现，他就率B-17返回中途岛，补充弹药和油料，然后再度起飞寻敌。
中途岛收到关于发现敌航空母舰的报告后，立即用明语通知斯威尼。这时斯威尼离原定目标200海里左右。他迅速而准确地改变了航向，于07：32发现了敌机动部队，但还未找到航空母舰。他对小型舰艇不屑一顾，于是继续寻找舰队的中枢。他搜寻航母的时间长得出奇。还没等他发现情况，老天爷又在他们给南云造成的一团糟局面中加上了“蝾螈之目青蛙趾”。49
08：06，“筑摩号”报告说敌机方位在左舷25°，正朝舰队飞来。在南云的作战记录中有这么一句话，而且是用括号括起来的：“（舰载机，系我舰发现的首批。）”南云得到这个报告后，如果不觉得是当头一棒，那他不是低能儿就是超人。“筑摩号”所发现的可能是友永的首批返航飞机，也可能是离舰队还有20分钟路程、外形类似日本轰炸机的SB2U-3。现在南云最关心的是“舰载敌机”的情况。足足有3分钟时间，他坐立不安。终于，“利根号”上的四号机报告了情况：“敌舰队中共有巡洋舰5艘，驱逐舰5艘。”
“到底弄清楚了！果然不出我所料，没有航母。”小野把译好的电文递给草鹿时自鸣得意地说。
草鹿当时感到一震，但头脑仍很清醒。后来他曾解释说：“单凭这个报告并不能说明这一海域没有敌航母。在当时那种紧张情况下，在这一海域活动的敌舰队中不可能没有航母。”
南云及其幕僚得到这个报告后感到一阵轻松，但这种轻松的性质和程度不应加以夸大。正如源田听说，他们“只是一时感到宽慰”。源田本人既没有感到如释重负，也没有感到出乎意料。不过，他在回顾当时情景时说，大家“本应意识到这是个失误”。谁也不敢把一支轻型舰队单独派往这一水域来活动，这肯定是一支护航舰队。因此南云没有贸然放松警惕，他并不认为事情的发展和他预料的一样。他和参谋们只是感到紧张心理稍有缓和，觉得有了点喘息时间来集中考虑如何逐退敌陆基飞机，如何再度轰炸中途岛。草鹿说：“当时我认为，刚刚下达要攻击飞机换装炸弹的命令，如果马上改变，只会引起更大混乱。”
南云的幕僚们当时之所以没有改变战术，还有另外一个原因：过去六个月的战事使他们根本没把美国海军航空兵放在眼里，甚至美陆基飞机的攻击也没有使他们的态度有所改变。美国飞行员个个作战勇敢，但日本航空母舰舱盖紧闭，他们似乎无法打击母舰的内部。派出这批没有战斗机掩护的轰炸机简直愚蠢透顶，而它们毫无协同的进攻说明他们的组织指挥以及准确性之差简直不可思议。如果美国人在这一海域有航空母舰，为什么不派飞机支援这批陆基飞机作战呢？
当第二批美轰炸机飞临日舰队上空时，自以为是海洋和天空主宰的日本将领们哈哈大笑起来。渊田查对了机种识别表，当即判明来者是B-17。斯威尼的“飞行堡垒”只能增加日本人的安全感，因为任何神经正常的飞行员都不会认为这种四引擎轰炸机是舰载机。
斯威尼的分队实际已飞越南云部队的航线，又向东北飞了很远，率领最后两架“飞行堡垒”的卡尔·E.乌尔特尔上尉认为，前面四组都没有发现航空母舰。他想引起斯威尼或他自己所在分队的指挥官布鲁克·E.艾伦中校注意，但没有成功。后来他索性飞出编队，向自己的僚机打信号，要他单独进攻。云层条件极为理想，也没有发现日战斗机。乌尔特尔从20千英尺上空投下3颗炸弹，发现没有命中，于是转向邻近一艘航母后侧，把其余5颗炸弹尽数投了下去，炸弹成一直线飞向第三艘航空母舰的舰尾。他认为至少有一颗命中，于是返航。
乌尔特尔的僚机H.S.格伦德曼中尉两次向目标投弹均未见命中。后来他击落了一架零式机，才算得到一点自我安慰。
艾伦带领自己的3架飞机集中攻击那艘看上去像是“苍龙号”的航空母舰。不过，“苍龙号”还命不该绝，一颗炸弹也没碰着它。
在斯威尼的9架轰炸机组成的分队中，第三小分队是福克纳率领的。他也像乌尔特尔一样，认为斯威尼他们没有看见敌航母，因此他脱离编队飞行，向他所看见的“4艘航空母舰中最大的那艘发起攻击”。在薄薄的云层下面，这艘航空母舰（无疑是“赤城号”）正在破浪前进。福克纳跟踪它并没有多大困难。他肯定敌航空母舰还没发现他，因为它全无规避企图，而且，他在敌舰队上空飞行长达20分钟也没遭到高炮的射击。但随后，高炮开火了，其火力高度十分准确，密集程度也要比他前一天在田中舰队上空遇到的厉害。他的左僚机斯蒂德曼的机翼中了几弹，但损伤不严重。
他的右僚机罗伯特·B.安德鲁斯投下4颗炸弹均未中的，所以他“脱离编队，独自冲向一艘大型航空母舰”。有一颗炸弹落得过早，偏向了“航空母舰旁边的”一艘小艇。第三次攻击时，他在靠近航空母舰处将剩下的3颗炸弹一齐投了下去。他没有发现对空火力，也没有看见战斗机来拦截，看来他不断单独攻击的也许完全是另一艘航空母舰。直到他把飞机拉起来，准备返回中途岛时，才有2架零式机追来。但他“一个俯冲，紧踩油门”就把它们甩掉了。
与此同时，福克纳和斯蒂德曼在原来选定的目标附近把总共8颗炸弹一股脑儿都投了出去，转身飞往库雷岛。他们认为，有一颗炸弹肯定命中了左舷舰首，另一颗可能击中了右舷，还有5颗近距脱靶。返航途中，他们遭到3架零式机的追击。一架零式机打坏了福克纳的四号发动机，另一架打伤了他的机尾机枪手的左食指。不过这些敌机在没有造成严重损失的情况下就“被炮塔炮和机尾机枪轻而易举地赶跑了”，其中有一架可能被击落。
斯威尼所选择的攻击目标似乎是“加贺号”。他认为，他在交叉轰炸时，“一颗炸弹击中舰尾部……顿时浓烟滚滚”。据他观察，他的小分队的其他飞机都没有命中。在进攻时，他们的飞机都没被击中。
这次B-17在攻击时，零式机几乎没碰它们一根毫毛，这种情况与以上几次陆基机攻击时截然不同。正如查尔斯·E.格雷戈里上尉所说：“起飞截击的敌机似乎不想逼近攻击这些B-17E改进型。”渊田发现战斗机没有起飞追击美轰炸机，心中颇为不悦，可是转念一想，如果“飞行堡垒”果真像报道所说的那么厉害，零式机纵然起飞，也不大可能击落它们。
当然，沃纳少校没那么仁慈宽厚，他以日机不追击为例来证明日本人也像其他人一样想保命。尼米兹十分重视这一经验。他对金上将谈起同零式机作战的情况时，赞扬了像B-17这样具有坚固防护的高速飞机的杰出作用。他极力主张立即给海军配备这种飞机，用以进行侦察、追踪以及轰炸。
机动部队除遭到B-17的轰炸外，还面临另一威胁。07：10，“鹦鹉螺号”潜艇“发现方位337°的地平线上有轰炸及对空火力产生的烟雾”。艇长小威廉·H.布罗克曼海军少校认为有必要查明情况，于是就驶向作战地区。07：55，一架敌机发现了它，并向它扫射。5分钟后，布罗克曼发现4艘编队航行的舰艇，其中1艘为战列舰或是重巡洋舰。他继续驶近。08：10，离“鹦鹉螺号”1000-3000码处有11颗深水炸弹爆炸，潜艇剧烈颠簸。布罗克曼改变航向，小心翼翼地升起潜望镜进行观察。机动部队的这一部分舰艇显然被他吓得不轻，因为它们像水蝽似的迅速东躲西闪，兜着圈子想远离潜艇的阵位。在他舰首左侧那艘战列舰上的右舷炮火一齐对他猛轰。他立即回敬了一枚鱼雷，但被战列舰避开了。
一般来说，在战斗中敌潜艇的攻击都会引起舰队指挥官一定程度的注意。可是这次没有一艘舰艇把这一事件向“赤城号”作过报告，这简直令人难以置信。南云详细的作战记录甚至对此也只字未提。南云心事重重，没有注意“鹦鹉螺号”，这也情有可原。
中途岛的陆基飞机偏偏选在这个时候再次进攻。亨德森的SBD起飞后不久，本杰明·W.诺里斯的12架SB2U-3“报复者式”也在A点会合了（该点在距中途岛20海里左右的90°方位上）。这批飞机在集结点上空盘旋时，乔治·E.科特拉斯少尉发现左侧有轰炸机群。他以为是SBD，返航后才知道那是日轰炸机群。
07：10，凯姆斯电令诺里斯攻击“敌航母，方位325°，距离180海里，航向135°，航速25节……”“报复者式”爬升到13千英尺后，向目标飞去。报复者的机组人员给他们的飞机取的诨名叫“振动器”、“风向器”。只要听听这些雅号，它的性能也就可想而知了。这些又笨又慢的家伙08：20才飞到机动部队的外围。
这时，南云把所有战斗机都派上天了，包括被指定参加第二波攻击的飞机。所以，与斯威尼所遇到的情况相反，诺里斯遇上大批零式机。但是，这一次零式机的进攻比它们在中途岛上空威震蓝天的作战大为逊色，也不像科林斯和费伯林在机动部队上空遇到的战斗机那样叱咤风云。日机飞行员可能都已疲惫不堪，而且有些紧张，因而反应不很准确迅速。这也难怪，因为他们已经整整折腾了4个钟头：不断盘旋提供空中保护，逐退敌机，而且常因虚发的警报而一再起飞。利昂·M.威廉森上尉率领的第二分队第十一号机的飞行员萨姆纳·惠顿观察到，零式机虽双机活动，但协同很差。美机上的机枪手不费吹灰之力就把它们赶跑了。有2架战斗机攻击惠顿，“1架机腹朝天掉了下去”，所以惠顿认为这架敌机是他们击落的。
这两架零式机不仅攻击了惠顿，还攻击了丹尼尔·L.卡明斯少尉。卡明斯驾驶的飞机是美机编队中最后一架。他的机枪手是个二等兵，被零式机打死了。这名机枪手“从未使用过飞机上的机枪，不能指望他进行什么有效而准确的射击，更谈不上自卫了”。
然而，零式机的进攻态度很坚决，而诺里斯则对自己的“振动器”不抱任何希望，所以他决定不攻击航空母舰，而是就近找个攻击目标。就在他下面有一艘漂亮的战列舰，这似乎是第二个最理想的目标。诺里斯不知道它是“榛名号”。根据美方早先发表的战报，它已被科林·凯利击沉。但现在这艘舰艇并非虚无飘渺的幽灵，而是实实在在的“榛名号”。
诺里斯电令本小组各机“攻击下方目标”，随即率领众机长距离高速下滑。“报复者式”一架接一架扑下来，这时舰上高炮齐鸣，火力极猛，令人讨厌，但命中率极差。威廉森投下第一颗500磅重的炸弹，至于命中与否，他没有看清。
科特拉斯以战列舰舰首为瞄准点，投弹后，打了一个盘旋，“看见敌舰四周落下了许多近距脱靶炸弹，但舰首中了一弹”。这句话前一半属实，后一半则不然。当他飞离时，敌舰正转向右舷，“舰体中部冒起了浓烟”。
卡明斯没有投弹，他停止滑行并将飞机拉起，因为他知道自己俯冲没有到位，会白白浪费一颗炸弹。他环顾四周，寻找次要攻击目标。他发现地平线上有各类军舰10艘，一个战斗机中队从大约10海里处的一艘航母上飞来。他选择了一艘驱逐舰，向它投下炸弹，但没来得及观察弹着情况。在此后的15分钟时间里，他拼命想摆脱5架零式机。他说：“我首次参加空战就碰上打了就跑、空中混战的场面。我那架早该淘汰的SB2U-3几乎给打烂了。”他终于脱身钻进云层。在距中途岛5海里处，他油料耗尽，只好迫降。就在他弄清机枪手确已死亡的极短时间里，他那损伤严重的飞机也沉没了。第二十号鱼雷艇在救起默里和施伦德林后，又把他救了起来。第二十六号鱼雷艇救起了阿伦·H.林布劳姆少尉。他在离沙岛约1.5海里处，燃料也用完了。
SB2U-3已是陈旧的老爷车，在作战中能有如此表现，实在是不错了。被敌人击落的只有2架，还有2架因油料耗尽而报销。生还的美机人员确信，他们看见2颗命中，3颗近距脱靶，“战列舰上浓烟滚滚，舰体发生严重倾斜”。虽然他们说得如此，但“榛名号”却安然无恙。
如果在小巧玲珑的鱼雷艇救起卡明斯和林布劳姆之后，中途岛之战就告结束，那日本人就大获全胜了。凯姆斯和他的参谋们料定日本人还会再来。凯姆斯说：“根据敌人发动攻击的时间以及已查明的敌航母阵位，我们估计，他们过三四个小时还会来袭。如果敌机再来，我们几乎没有战斗机来对付它们了，因此我们忧心忡忡，生怕日本人再度来进攻。”
那些轰炸机艰难地返回地面，模样十分狼狈，看来都伤得不轻。岛上的紧张气氛急速上升，几乎到了极点。凯姆斯说：“当然，我们还有守备营的高炮，还有自己的小型防空武器。如果敌机真的再来，我们将给它以最大程度的打击。”这时，岛上和第十六、十七特混舰队都没有联系。不论凯姆斯在当时情况下表现如何英勇，岛上已没有力量来对付第二次空袭，或对付日舰的炮击，或阻挡田中部队那种规模的登陆，最多只能干扰一下而已。
对此，尼米兹比谁都清楚。虽然他当时相信各类创敌报告，但这些报告经过情报甄别，仍然乐观得近乎荒唐。他面前摆着的战绩报告是飞行员们深信不疑的，他没有理由不信。但是，在给金海军上将的作战报告中，尼米兹使用了他自己独特明晰的语言：
中途岛部队的攻击已竭尽全力，但还是没挡住日本人。约有10艘敌舰被击伤，其中l-2艘运输舰或货船被击沉。对于集中向中途岛逼近、拥有约80艘舰艇的舰队，这点点损失实在不足挂齿。中途岛上的战斗机、鱼雷机和俯冲轰炸机（只有这些型号的飞机有较大可能击中敌舰）全都完了……