Только утром 5 июня американское командование убедилось, что японцы отступают. Около 06.00 "Тамбор", не выпускавший из виду японские корабли, опознал крейсера "Могами" и "Микума" и донес об их движении на запад. В 06.30 это сообщение было подтверждено самолетами с Мидуэя. Кроме двух поврежденных крейсеров, которые были обнаружены в 125 милях к западу от атолла, самолетам удалось заметить и крейсера "Кумано" и "Судзуя" в 175 милях северо-запад нее атолла. В 250 милях к северо-западу было обнаружено еще несколько японских кораблей, в их числе один горящий авианосец. Это был "Хирю", который вскоре затонул, и часть кораблей адмирала Кондо, которые теперь спешили на соединение с главными силами Ямамото.
По получении этого донесения 12 оставшихся пикирующих бомбардировщиков взлетели с атолла для атаки. Идя по масляному следу крейсера "Микума", они в 08.00 обнаружили два японских крейсера и атаковали их. Попаданий достигнуто не было, но капитан 1 ранга Флеминг, командовавший одной из групп, направил свой горящий самолет на крейсер "Микума" и нанес ему серьезные повреждения. Японцы были так заняты отражением этой атаки, что проглядели группу самолетов В-17, летевших на большой высоте, и увидели их, когда бомбы уже стали падать вокруг кораблей" Однако и на этот раз попаданий не было.
Вскоре после полудня 12 самолетов В-17 поднялись с Мидуэя, чтобы атаковать горящий авианосец. Однако, выйдя на цель, они увидели здесь только эсминец "Таникадзэ". Авианосец "Хирю", который он сопровождал, затонул, и теперь эсминец спешил на соединение с Ямамото, Дважды атаковав корабль и сбросив на него 80 230-кг бомб, самолеты не добились ни одного прямого попадания.
Рассвет 5 июня застал американские авианосцы а 130 милях к северо-востоку от Мидуэя. Было уже совершенно ясно, что японцы отходят, и Спрюэнс должен был теперь выбрать наиболее подходящую для атаки цель. Этой целью оказалась группа японских кораблей северо-западнее атолла, которая, по донесениям, состояла из двух линейных кораблей и авианосца. Зная, что атаковать придется на пределе радиуса действия самолетов, Спрюэнс приказал своим самолетам взять только по одной 230-кг бомбе, приняв вместо остальных больше горючего, и произвести атаку не раньше 15.00, стараясь, по возможности, уменьшить дистанцию до противника, Откладывая атаку до 15.00, Спрюэнс понимал, что самолеты не успеют вернуться на свои корабли до темноты и что поэтому их придется принимать, освещая авианосцы. Однако возможность уничтожения четвертого японского авианосца делала этот риск оправданным.
Но добить японский авианосец американским самолетам не пришлось: он пошел ко дну сам. Неудачным был и налет на эсминец "Таникадзэ". Когда самолеты вернулись назад, "Энтерпрайз" и "Хорнет" осветили свои взлетные палубы, включив прожекторы. Свет мог привлечь внимание японских подводных лодок, но Спрюэнс пошел на этот риск, заботясь о том, чтобы принять все свои самолеты, экипажам которых еще ни разу не приходилось делать посадку ночью.
Спрюэнс, убежденный в том, что никаких японских сил перед ним нет на расстоянии по крайней мере 250 миль, изменил курс и всю ночь шел на запад, уменьшив скорость до 15 узлов, чтобы сэкономить топливо на эсминцах и случайно не догнать японские линейные корабли в темное время суток.
Утром 6 июня была прекрасная погода с хорошей видимостью и спокойным морем. Самолеты-разведчики с "Энтерпрайза" вскоре после рассвета обнаружили японские крейсера "Могами" и "Микума" примерно в 130 милях к юго-западу от американских сил. Произведя три налета, американские летчики добились попаданий в оба крейсера и в сопровождавшие их эсминцы. Несмотря на тяжелые повреждения, крейсеру "Могами" удалось добраться до островов Трук, где он более года стоял в ремонте, не принимая участия в боевых действиях. Крейсер "Микума" затонул через несколько часов после третьей атаки, унеся с собой около 1000 человек.
Вечером 6 июня Спрюэнс прекратил преследование. Он отослал эсминцы, у которых было на исходе топливо, и оставил для эскортирования авианосцев всего четыре эсминца. Разумеется, этого было недостаточно для обеспечения безопасности авианосцев в районе, где действовали японские подводные лодки. Кроме того, американские летчики были сильно измотаны предыдущими атаками. Наконец, было неразумно входить в зону действий японской авиации с острова Уэйк, где японцы могли сконцентрировать самолеты, предназначенные для переброски на Мидуэй. Поэтому Спрюэнс повернул обратно на северо-восток, чтобы впервые с 31 мая пополнить запасы топлива.