Адмирал Нагумо, покидая “Акаги”, передал тактическое командование адмиралу Хироаки Абэ, командиру сил прикрытия Ударного Авианосного соединения. В 10.50 Абэ передал координаты “Йорктауна” на “Хирю” и приказал атаковать немедленно, всеми имеющимися силами. Учитывая количество атаковавших американских торпедоносцев, японцы решили, что те имеют 2 авианосца.
“Хирю” использовал торпедоносцы для налета на Мидуэй, поэтому лишь его пикировщики имели нужное для атаки авианосца вооружение. Оставшиеся торпедоносцы были перевооружены торпедами. В 10.58 “Хирю” выслал первую ударную волну — 18 пикировщиков и 6 истребителей. Ударная группа получила координаты “Йорктауна”, полученные гидросамолетом № 5 тяжелого крейсера “Тикума” и уточненные по дальнейшим сообщениям. В это время на “Хирю” садились самолеты с 3 поврежденных авианосцев, в том числе “Зеро” воздушного патруля с “Акаги”. Примерно в полдень “Хирю” поднял 9 истребителей воздушного прикрытия и начал готовить торпедоносцы. Нагумо постарался обеспечить максимальную ПВО авианосцу, собрав все имеющиеся корабли.
“Йорктаун” тоже начал готовиться к ожидаемой контратаке. Радар обнаружил первую волну самолетов “Хирю” на расстоянии 40 миль. Но ее силы серьезно переоценили — 30–40 самолетов. “Йорктаун” держал в воздухе 12 истребителей воздушного патруля. На палубе стояли еще 12 истребителей, которые только что заправились и еще 3 истребителя, участвовавшие в атаке японских авианосцев. Над головой, ожидая посадки, кружили уцелевшие пикировщики, которые недавно потопили “Сорю”. Когда японцы приблизились, бомбардировщики были отосланы прочь, бензиновые насосы выключены, подготовлены углекислотные огнетушители, усилен воздушный патруль. 2 крейсера и 6 эсминцев, прикрывавшие “Йорктаун”, приготовились к бою. Незадолго до полудня японские пикировщики начали атаку. 3 бомбы попали в “Йорктаун”. Первая взорвалась на полетной палубе, вызвав пожары палубой ниже. Вторая попала вблизи дымовой трубы и уничтожила 3 котельных вентилятора. Повреждение дымоходов привело к тому, что в топках 5 из б котлов “Йорктауна” погас огонь. Машины встали. Скорость “Йорктауна” сначала упала до б узлов, а потом он вообще остановился. Третья бомба взорвалась глубоко в корпусе, на четвертой палубе, однако быстрое затопление и использование углекислого газа предотвратили возгорание бензина и взрывы боеприпасов. Так как вторая бомба уничтожила все средства связи, радар и штурманскую рубку, в 13.15 адмирал Флетчер перенес флаг на тяжелый крейсер “Астория” и приказал тяжелому крейсеру “Портленд” взять авианосце на буксир. Но котлы “Йорктауна” были целы, и когда удалось наладить вентиляторы, к 13.40 все его 4 машины снова заработали, и авианосец дал 20 узлов. Палубная команда возобновила заправку истребителей, и казалось, что “Йорктаун” снова будет при деле.
Тем временем “Хирю” поднял вторую волну: 10 торпедоносцев и 6 истребителей. Такое маленькое число обусловили тяжелые потери при атаке Мидуэя. Как и раньше, самолет № 5 “Тикумы” навел самолеты “Хирю” на “Йорктаун”. Несмотря на плотный зенитный огонь и противодействие истребителей японские самолеты вышли в атаку. Снова экраны радара вовремя показали атакующих, и “Йорктаун” отправил 12 имеющихся истребителей на перехват. Тем не менее, решительные японские пилоты прорвались, хотя и потеряли 5 торпедоносцев из 10 и 3 истребителя из 6. 2 торпеды попали в левый борт “Йорктауна” в 14.30, после взрывов вспыхнули пожары. Бензиновые цистерны левого борта были разорваны, руль авианосца заклинило, он получил крен на левый борт. Положение осложнялось тем, что во время спешного ремонта в Пирл-Харборе не была целиком восстановлена водонепроницаемость корпуса. Опасаясь, что корабль скоро перевернется, капитан 1 ранга Эллиотт Бакмастер в 15.00 приказал экипажу покинуть его. 2270 человек были сняты эсминцами.
Адмирал Флетчер решил оставить “Йорктаун” и присоединиться к адмиралу Спрюэнсу. Желая оказаться поближе к месту завтрашнего боя и избежать атаки гипотетического пятого авианосца, ОС 16 и 17 отходили на О до сумерек, а потом повернули, чтобы блокировать севере-восточные подходы к Мидуэю. Эсминец “Хьюз”, оставленный охранять “Йорктаун”, сообщил, что “Йорктаун” можно попробовать спасти. Поэтому от рифа Френч Фригейт был выслан буксир “Вирео”, чтобы организовать буксировку. Позднее к “Вирео” присоединился эсминец “Гуин”. “Йорктаун” имел крен 25° на левый борт и сел носом, но все-таки держался на плаву. Поэтому Флетчер и Бакмастер решили попытаться спасти его. На помощь спасательному отряду были посланы эсминцы “Хамманн”, “Бэлч” и “Бенхэм”. “Хамманн”, подойдя к правому борту авианосца, высадил спасательную партию, остальные 4 эсминца образовали кольцевую завесу диаметром 2000 ярдов вокруг поврежденного корабля.