После этого крейсера «Судзуя» и «Кумано» начали отход, развив максимальную скорость. Два других крейсера шли со скоростью 17 узлов, причем крейсер «Могами» все время отставал от крейсера «Микума».
Бомбардировщики морской и сухопутной авиации с Мидуэя на следующий день обнаружили крейсера по масляному следу и атаковали их. При этом «Микума» получил серьезные повреждения и впоследствии был уничтожен. «Могами» также был сильно поврежден, но ему все же удалось дойти своим ходом до базы на острове Трук.
6 июня соединение японских подводных лодок нанесло американским кораблям последний удар. Благодаря энергичной работе аварийно-спасательной команды сильно поврежденный авианосец «Иорктаун» держался на плаву. Его направили в Пирл-Харбор в сопровождении эскадренного миноносца «Хэммен». Утром 6 июня японская подводная лодка «И-168» атаковала американские корабли, выпустив четыре торпеды. Две из них попали в миноносец и две в «Иорктаун». В тот момент, когда эскадренный миноносец начал тонуть, на нем в стелажах взорвались глубинные бомбы; взрывом было убито много людей. Другие эскадренные миноносцы начали преследовать подводную лодку и донесли об ее уничтожении. Однако авианосец спасти уже было нельзя. На следующий день в 5 час. утра «Иорктаун» перевернулся и затонул.
Все же японцы понесли тяжелые потери, и их силы вынуждены были отойти. Они потеряли четыре авианосца, тяжелый крейсер и 4500 моряков и летчиков.
В бою у Мидуэя наряду с авианосцем «Иорктаун» и эскадренным миноносцем «Хэммэн» американцы потеряли 150 самолетов (японцы — 258) и 307 солдат и офицеров. Этот бой стоил американцам очень дорого, но японцы заплатили еще дороже.
Кроме людей и материалов, в сражении за Мидуэй Япония потеряла инициативу, которую она не смогла уже вернуть.
Введенный в заблуждение ошибочными данными разведки, командующий японскими силами недооценил мощь американского флота и его способность к боевым действиям. Японская разведка работала неудовлетворительно, она не обнаружила авианосное соединение США до тех пор, пока его авиация не атаковала главные силы японцев. Можно сказать, что японцы допустили серьезную стратегическую ошибку, не захватив Мидуэй в декабре 1941 года, когда там были всего две американские подводные лодки.
Надо сказать, что разведка американцев работала также неудовлетворительно. Американские силы, разгадавшие намерения японцев, могли нанести японцам более сокрушительный удар. Главные силы японцев фактически ушли нетронутыми, а «Могамп» и «Микума» были повреждены лишь по счастливой случайности.
Критики подводной стратегии высказали предположение о том, что действия 25 американских подводных лодок во время боя не были в достаточной степени эффективными. Действительно, не все лодки были в районе боя. Оперативные группы 7/2 и 7/3, находившиеся одна севернее острова Мидуэй, а другая — близ острова Оаху, не смогли принять участия в бою так же, как и шесть лодок, шедших к месту боя с отдаленных позиций. Фактически из 12 лодок, занимавших позиции западнее Мидуэя, только «Наутилус» (отчасти «Тамбор») принимали активное участие в боевых действиях.
В течение нескольких дней после того, как 4 июня бой достиг кульминационной точки, подводные лодки, находившиеся в районе Мидуэя, получили ряд сообщений относительно отходивших якобы поврежденных японских кораблях. Эти сообщения, поступавшие от самолетов, были ошибочными и дезориентирующими. Фактически «Могами» был единственным серьезно поврежденным кораблем, а остальные отходившие корабли имели лишь незначительные повреждения, поэтому преследующие подводные лодки не могли их настигнуть и войти в контакт.
7 июня подводная лодка «Грэйлинг» подверглась бомбардировке самолетами В-17, которые по ошибке приняли ее за крейсер противника. Однако она не получила повреждений. На следующий день, 8 июня, подводная лодка «Траут» подобрала двух японцев в море. Это были первые японские моряки, взятые в плен подводной лодкой США.
К 10 июня противник вышел далеко за пределы расположения подводных лодок, и они получили приказ вернуться и продолжать боевые действия в ранее назначенных районах.
Уроки единственного оборонительного сражения (за Мидуэй), в котором широко использовались подводные лодки, были учтены в последующих операциях. Одной из важнейших причин малой эффективности подводных кораблей являлось отсутствие на них радиолокационных средств для поиска ночью. Через несколько месяцев на большинстве подводных лодок были установлены радары типа «SJ».