Когда летчики “Хирю” ужинали, со стороны солнца внезапно выскочили 13 бомбардировщиков, еще 11 атаковали линкоры и крейсера сопровождения. Атака была абсолютно внезапной. Прозвучала боевая тревога, и “Хирю” начал маневр уклонения. Первые 3 бомбы прошли мимо, но потом авианосец подряд получил 4 попадания. Первый взрыв швырнул плиту носового элеватора прямо на мостик. Все 4 бомбы легли кучно: 2 в средней части полетной палубы, 2 — впереди мостика. Полетная палуба была практически уничтожена. В нескольких местах вспыхнули пожары. Начали взрываться бомбы и торпеды, валявшиеся на ангарной палубе, и вызвали серьезные разрушения. Но, несмотря на повреждения, авианосец сохранил скорость 30 узлов.
Вся команда, кроме артиллеристов, была брошена на тушение пожаров. Однако их возможности были ограниченными, так как большая часть противопожарных средств погибла. Люди начали таскать воду в ведрах. “Хирю” шел в центре круга диаметром 10 миль, образованного кораблями охранения. 4 эсминца подошли к борту авианосца, заливая огонь из шлангов. Корабль еще держал 28 узлов, хотя отважная машинная команда была обречена.
Наконец пламя прорвалось на нижние палубы, и машины встали. Механики предприняли отчаянную попытку спастись, так как из-за жары и огня больше не могли оставаться на своих постах. Однако стальные плиты отсеков разогрелись докрасна, и спастись сумели немногие. Корабль начал принимать воду, и вскоре получил крен 15°. Примерно в 1.58 прогремел взрыв, после которого пожары вспыхнули с новой силой. Стало ясно, что корабль уже нельзя спасти. Капитан 1 ранга Каку, получив разрешение командира 2 дивизии авианосец контр-адмирала Ямагути, державшего флаг на “Хирю”, в 2.30 приказал экипажу готовиться покинуть корабль. Экипаж собрался в 2.50, Каку и Ямагути спустились с мостика. Портрет императора был вручен одному из лейтенантов, обязанному сохранить его в целости.
Произошла очень волнующая сцена. Каку и Ямагути произнесли трогательные речи, убеждая людей, что победа придет и уверяя, что никто не повинен в гибели корабля. Потом оба офицера обменялись ритуальными чашками воды. Флаг был спущен и экипаж запел национальный гимн “Кимигаё”. Наконец в 3.15 капитан приказал экипажу покинуть корабль. Первым был офицер, несущий портрет императора. Потом и остальной экипаж перешел на эсминцы “Кадзэгумо” и “Макигумо”. Капитан 1 ранга Каку и адмирал Ямагути остались на борту и не разрешили своим штабным офицерам сделать то же самое. Презирая опасности, они несколько минут любовались красотой луны, а потом спустились в свои каюты и совершили харакири.
Последний приказ Ямагути адресовал эсминцу “Макигумо” — торпедировать “Хирю”. Эсминец выпустил 2 торпеды, но только 1 из них попала в цель. Решив, однако, что теперь авианосец обязательно затонет, эсминец повернул назад, чтобы присоединиться к легкому крейсеру “Нагара”, на котором теперь находился адмирал Нагумо. Но рано утром разведывательный самолет с легкого авианосца “Хосё” обнаружил, что “Хирю” все еще держится на воду, а на палубе видны люди, размахивающие фуражками. Когда адмирал Нагумо получил это сообщение, он отправил эсминец “Таникадзэ” в указанную точку спасти людей. Однако “Таникадзэ” был атакован самолетами с Мидуэя и сильно запоздал, к этому времени “Хирю” уже затонул. Эсминцы оставили на борту авианосца около 70 человек. 35 из них спаслись, так как сумели спустить шлюпку и были позднее подобраны американским эсминцем. Кроме того, спаслась часть японских пилотов. После гибели авианосцев они были вынуждены садиться на воду, и 27 человек были подобраны американскими кораблями и летающими лодками. Всего на “Хирю” погибли 416 человек, большей частью машинная команда.
К 10.30 4 июня 3 из 4 авианосцев японского Ударного Авианосного Соединения были небоеспособны. Однако уклонившийся к северу “Хирю” оставался в строю. Японские разведывательные самолеты обнаружили американские авианосцы, но неправильно определили их координаты. Так как “Йорктаун” адмирала Флетчера оторвался от “Энтерпрайза” и “Хорнета”, японские разведчики донесли нечто вроде “от 1 до 4 авианосцев”. (4 у них получилось из-за двойного счета кораблей ОС 16.) Хотя быстрая потеря 3 авианосцев была нокаутирующим ударом, японские штабные офицеры полагали, что эти атаки серьезно подорвали мощь американских авиагрупп. Адмирал Нагумо считал, что бой еще можно свести к приемлемому результату, а то и вообще победить. К нему подходили мощные подкрепления, 2 Флот вице-адмирала Нобутакэ Кондо мчался к месту боя со скоростью 28 узлов, а в 200 милях позади него находился Объединенный Флот адмирала Ямамото. Каждое соединение имело по 1 легкому авианосцу. Можно было отозвать авианосцы “Рюдзё” и “Дзуньё” с Алеутских островов. Адмирал Ямамото пока не отказался от идеи захватить Мидуэй или навязать американцам решающее сражение. Но теперь его планы целиком зависели от “Хирю”.