В 14.45 произошли два важных события. Один из самолетов «Йорктауна» передал по радио координаты, курс и скорость последнего вражеского авианосца. Оказалось, что он находится в 130 милях на северо-запад от Оперативного Соединения 16. И почти одновременно Оперативное Соединение 17 было атаковано второй раз. «Йорктаун», который сумел развить скорость 19 узлов, получил 2 попадания торпедами. Теперь машины авианосца окончательно встали, он получил сильный крен на левый борт и мог в любой момент перевернуться. Был отдан приказ команде оставить «Йорктаун». Остальные корабли Оперативного Соединения 17 начали снимать команду.
На основании рапорта самолета «Йорктауна» Спрюэнс немедленно отдал приказ поднять ударную авиагруппу. Так как сначала потребовалось принять истребители воздушного патруля, «Энтерпрайзу» понадобился почти час, чтобы поднять 25 пикировщиков (из них 14 принадлежали «Йорктауну»). «Хорнет», который действовал самостоятельно, запоздал с подъемом самолетов, так как не получил вовремя приказ Браунинга. Его 16 SBD взлетели только в 16.04.
В 16.11 Спрюэнс радировал Флетчеру, находящемуся на «Астории», что отправил 2 авиагруппы для атаки четвертого японского авианосца. Он намеревался следовать на запад, пока не примет вернувшиеся самолеты. Спрюэнс запросил: «Имеются ли у вас инструкции на дальнейшие действия?» Флетчер понял, что не может больше командовать боем, и радировал в ответ: «Никаких. Действуйте по собственной инициативе». Теперь командование официально перешло от одного адмирала к другому.
Во время своего полета на запад пикировщики «Энтерпрайза» и «Йорктауна» пролетели над 3 тонущими японскими авианосцами, по которым они нанесли удар утром. В 16.50 на горизонте показались «Хирю» и его сопровождение. Через 15 минут SBD добились 4 попаданий бомбами, и этот авианосец тоже запылал. Пикировщики «Хорнета» даже не стали тратить на него бомбы и атаковали корабли прикрытия, но попаданий не добились.
После того как «Хирю» получил роковые повреждения, японцы больше не могли рассчитывать на победу в битве при Мидуэе. Однако Спрюэнс еще мог проиграть ее. Вечером, после того как его авианосцы посадили вернувшиеся самолеты, он принял второе ключевое решение, определившее исход битвы. Оперативное Соединение 16 будет в течение 5 часов отходить на восток, а потом повернет на обратный курс и подойдет к Мидуэю с северо-востока. Таким образом, утром Спрюэнс сможет оказать помощь гарнизону острова, если японцы все-таки предпримут попытку высадки. Адмирал знал, что у противника еще оставались крупные силы, в том числе быстроходные линкоры, которые по огневой мощи значительно превосходили его крейсера. С помощью гидросамолетов японцы могли организовать слежение за Оперативным Соединением 16, а ночью японцы смогут атаковать его, если Спрюэнс по-прежнему будет следовать на запад. Кроме того, японцы могли иметь пятый авианосец, как сообщала разведка перед боем. Вдобавок существовала вероятность, что японцы за ночь могут отремонтировать один из поврежденных авианосцев. В 19.15 Спрюэнс лег на курс 90º, приказав держать скорость 15 узлов. Он временно выходил из боя. Вскоре на востоке появился Флетчер со своим Оперативным Соединением 17 (без «Йорктауна»).
Решение Спрюэнса было совершенно правильным, хотя и не понравилось горячим головам, которые рвались в погоню за японцами. Американцы не знали, что в море находится сам адмирал Ямамото с большой группой линкоров, чтобы поддержать соединения, наносившие удар по Мидуэю. Он попытался организовать ночную атаку американских авианосцев оставшимися кораблями Нагумо и частью сил Второго Флота вице-адмирала Нобутакэ Кондо. 5 июня в 3.00 несколько японских соединений вышли в точку, где могло оказаться Оперативное Соединение 16, если бы продолжило погоню в западном направлении. В их состав входили 4 линкора, 6 тяжелых крейсеров, 3 легких крейсера, 19 эсминцев. В это же время подводная лодка, за которой следовали 4 тяжелых крейсера и 4 эсминца, должна была обстрелять Мидуэй. Однако на основании сообщений самолетов-разведчиков Нагумо ошибочно решил, что американцы имеют 3 или 4 авианосца. Перед лицом подавляющего превосходства противника в авиации вскоре после полуночи Ямамото отменил высадку на Мидуэй и скомандовал общий отход.
Хотя Спрюэнс не подозревал о намерениях Ямамото, он имел все основания считать, что Мидуэй по-прежнему находится в опасности. 5 июня вскоре после 3.00 он получил радиограмму с подводной лодки «Тамбор», в которой говорилось, что много неопознанных кораблей находятся в 90 милях к западу от острова. Спрюэнс решил, что японцы не отказались от высадки на Мидуэй, и повернул на юго-запад, чтобы приблизиться к острову. На самом деле «Тамбор» заметила те самые 4 тяжелых крейсера и 4 эсминца, которые должны были обстрелять Мидуэй. Но теперь и это передовое соединение японского флота уже повернуло назад. Однако несчастья японцев еще не закончились — ночью тяжелые крейсера «Могами» и «Микума» столкнулись и получили серьезные повреждения.
Утром 5 июня Спрюэнс узнал, что Мидуэю уже ничто не угрожает. Базовая авиация провела серию разведывательных полетов и сообщила, что большая часть кораблей противника скрылась. Были замечены лишь 2 группы кораблей. На северо-западе был обнаружен горящий авианосец, а на западе находились 2 «линкора». На самом деле это были поврежденные «Могами» и «Микума». Спрюэнс сначала решил уничтожить авианосец на северо-западе. Он не знал, что самолет-разведчик обнаружил «Хирю», который к этому времени уже ушел под воду.
Во второй половине дня Спрюэнс не получил никакой новой информации и потому решил организовать поиск на большое расстояние пикировщиками, которые будут нести бомбы, чтобы сразу атаковать обнаруженного противника. Браунинг приказал подвесить к SBD 1000-фн бомбы. Пилоты немедленно запротестовали. Они считали, что это слишком большая нагрузка с учетом расстояния, которое им предстояло пролететь. Уэйд МакКласки заспорил с Браунингом на адмиральском мостике. Спрюэнс прекратил жаркую перепалку, сказав: «Я сделаю так, как хотят пилоты». Он приказал отложить взлет на час и вооружить самолеты 500-фн бомбами. Оскорбленный Браунинг покинул мостик «Энтерпрайза», громко ругаясь, и ушел к себе в каюту. Однако немного позднее он спокойно вернулся исполнять свои обязанности.
Начиная с 15.12, авианосцы подняли 2 группы пикировщиков общей численностью 57 машин, которые были направлены на северо-запад. Они пролетели 315 миль, но не обнаружили никого, кроме единственного эсминца. Они атаковали эсминец, но безуспешно. Так как самолеты взлетели очень поздно и находились в воздухе довольно долго, садиться им пришлось уже после наступления темноты. Чтобы облегчить посадку, Спрюэнс приказал осветить полетные палубы, несмотря на риск атак подводных лодок. Посадка прошла успешно. Хотя большинство пилотов не обладали большим опытом, лишь один SBD сел на воду. Опросив вернувшихся летчиков, Спрюэнс так и не мог решить — потоплен вражеский авианосец или нет. Однако он знал, что противник продолжает отход на запад, и решил продолжать погоню, ограничив скорость 15 узлами. Это позволило бы снизить расход топлива, что было важно, так как на эсминцах топливо уже начало подходить к концу. Кроме того, такое решение страховало американцев от неожиданных ночных атак противника.
Утром 6 июня Оперативное Соединение 16 в первый раз за время боя подняло собственные самолеты-разведчики, которые вскоре обнаружили группу японских «линкоров» в 128 милях на юго-запад. В течение дня самолеты «Энтерпрайза» и «Хорнета» провели 3 атаки, обрушив на 2 тяжелых крейсера и 2 эсминца град бомб. В результате несчастный «Микума» был потоплен.
