à 11h52, le radar du Yorktown a acquis un contact à 50 km au sud-ouest, se rapprochant à grande vitesse à basse altitude. Toutes les opérations en cours sont suspendues, tandis que l'équipage ferme les portes étanches. Quelques instants plus tard, le commandant Buckmaster pousse les chaudières à 30 noeuds.
Quand la formation japonaise prend de l'altitude, les Américains comprennent qu'ils ont affaire à des bombardiers en piqué. À 11h58, les douze chasseurs Wildcat en couverture sont dirigés vers les intrus. Les Japonais sont encore à une vingtaine de kilomètres quand les Wildcat engagent le combat. McCuskey (à gauche) fonce littéralement « dans le tas » de front, traversant la formation japonaise qui, surprise par la violence de l'attaque, s'égaille dans le ciel. La suite se transforme en une mêlée très confuse avec, comme le note le commandant Buckmaster, de nombreux avions [qui] tombent dans toutes les directions, beaucoup en flammes.
Finalement, huit « Val » parviennent à s'échapper. L'un d'entre eux explose sous l'effet d'un coup direct de DCA au moment où il entame son piqué, mais les autres attaquent. Un bombardier est littéralement découpé en trois morceaux pendant son piqué. Toutefois, sa bombe de 250 kg, libérée par le choc, tombe... en plein centre du pont d'envol. explose à l'impact et creuse un trou de 4 mètres de diamètre, tuant ou blessant tous les servants d'un Biffa quadruple derrière le château.
Le « Val » suivant est également haché menu par la DCA, sa bombe s'abîmant dans l'eau. En revanche, celle lancée par le premier maitre  Nakazawa traverse le pont d'envol en avant du château, pénètre dans le pont inférieur et explose près de la chambre des machines, mettant deux des huit chaudières hors d'usage. Le souffle éteint cinq autres chaudières coupant toute force motrice au Yorktown. Si les deux pilotes suivants ratent leur cible, il n'en est pas de même pour le premier maître Nakagawa qui plante sa bombe sur le côté droit de l'ascenseur n° 1. En explosant dans la cage, elle cause de gros dégâts matériels.

Seuls cinq « Val » réussissent à s'échapper, mais Kobayashi a d'excellentes nouvelles pour l'amiral Yamaguchi. Compte-tenu de l'état dans lequel il a laissé le porte-avions américain, en feu et machines arrêtées, il est certain qu'il est condamné. Ce n'est pourtant pas tout à fait le cas. Si l'amiral Fletcher estime préférable de transférer son pavillon sur le croiseur Astoria, le pont d'envol est sommairement, mais rapidement, réparé et les machines sont relancées en début d'après-midi.
Évidemment, pour les avions qui tournent autour de la Task Force, il n'est plus question d'apponter sur le Yorktown. Sheedy qui a été blessé dans les combats du matin, se pose sur le Hornet à 12h29, mais son touché est si brutal que les armes de bord se déclenchent de manière intempestive et fauchent 34 hommes, dont 5 sont tués sur le coup. Son Wildcat est balancé par-dessus bord pour permettre à six autres de se poser à leur tour.

14h40 – L’attaque de Tomonaga
Raclant les fonds de tiroir, Yamaguchi envoie tout ce qu'il a sous la main : 16 avions sous les ordres du lieutenant de vaisseau Tomonaga qui s'est porté volontaire pour conduire l'attaque, bien qu'il sache qu'il n'a aucune chance de revenir puisque le réservoir de son appareil est percé. Il réunit ses équipages. Parmi ceux-ci se trouve le premier maître Kanasawa :
« Tandis que les moteurs étaient mis en route, les équipages se regroupèrent pour écouter les instructions et se soutenir mutuellement. Le capitaine Tomonaga dit simplement : "Ne soyez pas inquiets. Rappelez-vous que la mort peut survenir à tout moment. Aucun de nous n'est indispensable. Les difficultés viendront après. Le moment est venu de faire votre devoir ". Quand le commandant s'adressa à nous, il termina son petit discours par "adieu " et non "bonne chance ". Le capitaine Tomonaga, qui allait mener la formation à l'attaque, nous dit : "Vous, les gars, vous devez me coller au train jusqu'à ce que vous entendiez le signal ".
« Avant même que le signal du décollage fût donné, craignant une nouvelle attaque de l'ennemi, l'appareil de tête s'était déjà envolé. En tout, dix bombardiers-torpilleurs et six chasseurs d'escorte prirent l'air. Aucun d'entre nous n'avait jamais rencontré la flotte américaine en mer avant. On se demandait comment ça allait se passer.»
À 13h55, le radar du Yorktown, qui vient juste d'être remis en état, repère l'écho des avions japonais. C'est aussitôt le branle-bas de combat.
Neuf avions japonais se faufilent en direction du porte-avions. À moins de 15 mètres au-dessus des vagues, ils zigzaguent sans arrêt pour leurrer la DCA Un correspondant de guerre américain notera que leur détermination frisait le fanatisme. Mais Thach et ses pilotes ont aussi de la détermination à revendre. Sans se préoccuper de leur propre DCA, ils foncent dans le tas.
Kanasawa a les yeux fixés sur la dérive rouge et jaune de l'avion de Tomonaga :
« Comme on ne voyait toujours pas de chasseurs, nous nous élançâmes sur le côté babord; j'avais toujours considéré que c'était le meilleur angle d'attaque. Mais nos avions torpilleurs fonçaient droit sur le porte-avions de tous les côtés. Par deux fois, il y eut de grandes gerbes d'eau, sans doute provoquées par nos propres avions s 'écrasant, mais ce n'était pas le moment de s'attarder à contempler Maintenant, le porte-avions ennemi était devant nous…
 « Juste devant moi, l'empennage jaune de l'appareil de notre chef fut englouti dans les flammes et se détacha du fuselage. L'appareil enflammes passa au-dessus du pont du porte-avions avant d'exploser et de se désintégrer. Des larmes obscurcirent ma vision.»
Un équipier de Kanasawa relate les derniers instants de son capitaine :
«Je suivis des yeux son avion, avec son empennage jaune si facilement reconnaissable, lorsqu'il traversa l'un des barrages antiaériens les plus terribles que j'aie jamais vus. Il lança sa torpille et l 'instant d'après son avion se désintégra. Son attaque sur le porte-avions, face à un tel tir de barrage, ressemblait à un écrasement volontaire. »
Toutefois, il est plus probable que Tomonaga soit tombé victime des F4F et même de Thach :
« J'ai aperçu un Nakajima  avec un insigne rouge vif en forme de plumes sur sa queue qu'aucun aune appareil japonais n'avait, et j'ai fait une bonne approche sur son flanc et je l'ai mis en feu. Toute l'aile gauche brûlait et je pouvais apercevoir les nervures à travers les flammes. [...] C'était un pilote de torpilleur chevronné. Bien qu'il ait été quasiment abattu, il a continué et a lancé sa torpille. À cet instant, tout l'avion était en feu, le revêtement des deux ailes avait été consommé, il ne restait plus que les longerons. Je le  regardais de dessus. Il devait encore avoir un peu de revêtement sous les ailes pour le maintenir en vol, mais il perdait de la hauteur et il tomba dans l'eau très près du navire. »

14h46 — Le Yorktown est à nouveau touché
Avec ses 19 noeuds. le Yorktown ne peut éviter la salve de torpilles qui file sur lui. À 14h46, une première torpille l'atteint à babord, à cinq mètres sous la ligne de flottaison. En quelques secondes, le porte-avions prend une gite de 6°. Une minute plus tard, une seconde torpille endommage le gouvernail et coupe toute l'alimentation électrique. En quelques minutes, le Yorktown se retrouve à nouveau à l'arrêt complet. La gite atteint rapidement 26°. Craignant qu'il ne se retourne, le commandant Buckrnaster donne l'ordre d'évacuation.