天还未亮，美军指挥官就已判明，日军开始退却。一直跟踪日舰的“红石鱼”号潜艇约于6时报告：现已查明，蹒跚而逃的2艘军舰是“最上”型重巡洋舰，航向正西。根据中途岛基地派出的飞机于6时30分至8时之间的报告来看，在航空兵作战半径内只有少数几艘正在撤退的日舰。除在中途岛以西125海里处发现2艘受伤的巡洋舰(被误认为战列舰)外，还在西北175海里处发现“熊野”号和“铃谷”号2艘巡洋舰。此外，在西北约250海里处发现数艘日舰，其中包括1艘正在燃烧的航空母舰。这就是“飞龙”号航空母舰。此后不久，“飞龙”号即沉人海底，近藤海军中将率领的突击部队则向西急进，前去与山本的主力部队会合。
根据“在中途岛以西发现战列舰”的报告，海军陆战队仅存的12架俯冲轰炸机立即从中途岛出击，沿着清晰可见的重油油迹向前飞行，8时许发现2艘巡洋舰，并实施攻击。炸弹没有击中目标，但是一位飞行分队长理查德·弗莱明上尉驾驶燃烧着的飞机，冲向“三隈”号巡洋舰的后炮塔，给该舰以重创。日舰全神贯注地抗击这批飞机，因而没有注意从高空投弹的B-17型轰炸机。直到炸弹在日舰周围掀起水柱时，B-17型飞机才被发现。尽管如此，这些高空轰炸机仍然没有击中目标。
中午刚过，12架B-17型轰炸机从中途岛向西北方向飞去，前去攻击受伤起火的日本航空母舰。但在美机飞抵目标前，该舰早已沉没。这些轰炸机仅仅找到1艘所谓的巡洋舰，其实这是“谷风”号驱逐舰。这艘驱逐舰奉命留下守卫“飞龙”号航空母舰。“飞龙”号沉没后，它立即前去追赶主力部队，在返航速中遭到了美机的空袭。号称“飞行堡垒”的轰炸机，在上述两次轰炸中，投下80颗(每颗227公斤)炸弹，但无一命中，只有几颗近失弹。
6月5日拂晓，2艘美国航空母舰位于中途岛东北约130海里处。显然，日本舰队正在撤退，所以，斯普鲁恩斯必须在中途岛巡逻机所报告的几群日舰中选择一个适当的攻击目标。他选择了位于西北方向的日军舰群。该舰群虽然距离较远，但据侦察机报告，这个舰群含有2艘战列舰和1艘航空母舰。因为是远程攻击，所以斯普鲁恩斯命令各轰炸机只携带1颗227公斤的炸弹，以便能够最大限度地装载燃油。为了尽量缩短与日本舰队之间的距离，直到15时许，才命令舰载机起飞。若再推迟起飞时间，飞机就不能在天黑以前返回航空母舰，着舰时必须打开探照灯。但是，斯普鲁恩斯确信，这是追击第4艘日本航空母舰，因而决心冒这个风险。可是，舰载机所找到的仍然是“谷风”号驱逐舰，虽然对其进行了攻击，但是结果并不比陆军B-17型飞机好。返航的飞机着舰时，“企业”号打开了甲板灯和探照灯，“大黄蜂”号也是这样做的。虽然日本潜艇很可能埋伏在附近海域，但是斯普鲁恩斯更为关心的是飞行员的安全，因为大部分飞行员没有夜间着舰的经验。除1架外，其余飞机都安全着舰，落水的飞行员已由驱逐舰救起。
6月6日的最后攻击