在旗舰“赤城”号已经浓烟滚滚，南云中将狼狈地转移到轻巡洋舰“长良”号上，整个舰队指挥系统濒临瘫痪的危急时刻，第二航空战队司令官山口多闻海军少将（他当时就在“飞龙”号航空母舰上）毅然决然地接过了整个机动部队的战术指挥权。他看着海面上那三团燃烧的“钢铁坟墓”，内心充满了悲愤和不甘！他知道，大局已基本无法挽回，但作为一名帝国海军军人，他绝不能坐以待毙！他要用“飞龙”号上仅存的航空力量，发动最后的、也是最悲壮的反击，哪怕是同归于尽，也要给美国人一点颜色看看！他以其一贯的勇猛和富于攻击性的作风，迅速组织起“飞龙”号上残存的舰载机（数量已经不多，而且很多飞行员也已经疲惫不堪，甚至有些人还是刚刚从其他被击沉的航母上逃生过来的），准备对已被日军侦察机再次发现的美军航空母舰，发动致命的还击。
重创“约克城”号（约上午10:50 - 正午时分）：
“飞龙”号首先派出了由俯冲轰炸机队队长小林道雄大尉率领的18架“九九式”舰载俯冲轰炸机和6架负责护航的“零式”战斗机，目标直指刚刚在战斗中表现神勇、但其位置也已被日军侦察机锁定的美军“约克城”号航空母舰！
美军“约克城”号虽然也紧急起飞了F4F“野猫”战斗机进行拦截，但面对这些经验丰富、技术精湛、而且抱着必死决心的日本飞行员，仍有数架日军俯冲轰炸机成功地突破了美军的防空火网，将致命的炸弹投向了“约克城”号。
“约克城”号被3枚250公斤的航空炸弹准确命中！一枚炸弹击中了烟囱附近的高射炮位，并引燃了部分舰体；另一枚则穿透了飞行甲板，在下方的数层甲板爆炸，摧毁了部分锅炉的进气道，导致“约克城”号的航速锐减至只有6节左右；还有一枚炸弹则在舰首附近爆炸，造成了不小的损伤。一时间，“约克城”号舰体燃起大火，浓烟滚滚，一度失去了动力，在海面上动弹不得。
面对如此重创，“约克城”号上的美军损害管制人员，在舰长埃利奥特·巴克马斯特上校的沉着指挥下，再次展现出了令人惊叹的专业素养和顽强意志！他们冒着随时可能发生的爆炸和倾覆的危险，奋不顾身地冲向火场，与死神赛跑。消防队员们用水龙奋力扑灭大火；工程技术人员则在浓烟和高温中，紧急抢修受损的锅炉和管线；飞行甲板上的地勤人员，则用最快的速度清理弹坑和残骸（用钢板和速干水泥临时填补了弹洞），试图恢复飞行甲板的起降能力。经过大约一个多小时的艰苦努力，他们竟然奇迹般地扑灭了大部分明火，临时修复了部分动力系统，使得“约克城”号的航速恢复到了近20节，并且飞行甲板也基本恢复了起降作业的能力！其烟囱甚至还巧妙地将黑烟引向一侧，从远处看去，仿佛损伤并不严重，这可能也给后续的日军侦察机造成了“仍在燃烧”但尚有战斗力的假象。
“约克城”号再遭鱼雷，被迫弃船（约下午2:30 - 2:45）：
山口多闻在收到“约克城”号仍在作战的报告后，并且结合了刚刚从俘获的美军飞行员那里得到的“美军有三艘航母”的情报， 他可能误以为这艘修复如初、仍在海面上活动的“约克城”号，是美军的第三艘、之前未被发现的、完好无损的航空母舰（或者至少是另一艘与之前被重创者不同的航母）。因此，他决心不惜一切代价，也要把这个“新的威胁”给彻底送进海底！于是，他再次组织起“飞龙”号上最后一批可用的攻击力量——由鱼雷攻击机队队长友永丈市大尉（这位在上午空袭中途岛时，其座机就已经被高射炮火击伤，仅有一个副油箱能够使用，但他坚持换乘了另一架同样只有一个副油箱、明知此次出击油料可能不足以返航的飞机，依然义无反顾地再次率队出击，堪称“神风第一人”的早期典范）率领的10架“九七式”舰载鱼雷攻击机和6架负责护航的“零式”战斗机。
友永丈市的机队，再一次突破了美军战斗机的拦截（此时美军的战斗机也已经疲惫不堪，数量不足，而且注意力可能也主要集中在防备俯冲轰炸机上），冒着“约克城”号周围护航舰艇猛烈的防空炮火，对其实施了教科书般的鱼雷攻击。
这一次，幸运女神没有再眷顾“约克城”号。2枚致命的九一式航空鱼雷准确无误地命中了“约克城”号的左舷中部！剧烈的爆炸撕裂了舰体，导致多个锅炉舱再次被毁，发电机舱迅速进水，舵机也彻底失灵，舰体迅速向左严重倾斜，很快就达到了26度，彻底失去了动力和自救能力，眼看就要倾覆沉没了。弗莱彻少将和巴克马斯特舰长在确认军舰已经无法挽救之后，于下午3点左右，不得不痛苦地下达了弃舰命令。
而那位率队发动这波致命攻击的友永丈市大尉，在完成攻击任务后，因为座机油料耗尽（也可能是在攻击中受创），最终未能返航，与他的战友们一起，坠入了茫茫的太平洋，以身殉国。
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