不过山口多闻现在没时间为此担忧了，因为就在他的第一批攻击编队放出去之后不久，美军的下一轮攻击就又接踵而至。这次出场的是约克城号航母上的18架俯冲轰炸机和8架f4f战斗机，带队的是麦克斯韦尔?莱斯利海军少校。而这个时候，原本负责舰队防空的零战在刚才的战斗中又一次遭到了损失，现在虽然他们已经爬到了较高的高度，但他们的数量也只有区区6架了。而刚刚从飞龙号上起飞的6架零战却全部被派去给俯冲轰炸机护航了。虽然他们不顾f4f的阻拦。舍生忘死的向莱斯利的轰炸机群发起了攻击，并击落了其中的两架，但显然，他们无法阻止轰炸机群的攻击。

这一次飞龙号再也没有前面那样的好运气了。相对于企业号和大黄蜂号，在珊瑚海有过攻击军舰经验的约克城号航母上的轰炸机表现得更出色，16架轰炸机投下了炸弹，竟然有6枚成功命中。

第一枚炸弹击中了飞行甲板，在上面炸了个大洞，第二枚命中了排在飞行甲板后部正准备起飞的鱼雷机，并引发了大火。第三枚穿过甲板，摧毁了一座锅炉（这使得军舰的速度一下子就慢了下来），然后是第四、第五、第六。整个母舰被彻底的打瘫痪了。

在《沉没的皇国》这样写道：

“这次打击来得快去得也快。当第一枚炸弹偏出后，我还在想‘啊，他们打不中我们的。’但紧接着，一枚炸弹就在离我不远的地方爆炸了，那时候我正在协助损管人员扑灭升降机那里的余火。爆炸产生的巨大的冲击波把我直接推倒在地上。我的耳朵嗡嗡的响，好半天都不大明白。过了一会儿，我清醒了过来，发现一个人压在我身上。我推开他，爬了起来，觉得手上满是黏糊糊的东西，仔细一看才看到那个压在我身上的人是损管员小松英，他的半边脑袋都被被弹片削没了，黏在我的手上的是他的脑浆……”

但山口和加来止男依然没有放弃，全舰的损管人员都在努力的试图挽救军舰。为了避免火势蔓延到弹药库和燃油库，加来止男命令向这两个舱放水。弹药库成功的被海水淹没了，但通向燃油库的管线被炸弹炸坏了，以至于无法注入海水。这成了这条船最大的弱点。3个小时后，大火燃烧的热量引发了一次爆炸，炸毁了航母的内部设施。<>“飞龙”号倾斜超过了15度，加来止男船长被迫下令弃船。此时是下午14点。

在甲板上熊熊燃烧的火光中，山口多闻指挥官向即将离开被毁坏的“飞龙”号航母的800余人说道：“我个人将全部承担‘飞龙’和‘苍龙’两艘航母损失的责任。”他告诉他们：“我将在船上呆到最后。”虽然下属们坚决的要求要让领导先走，但他还是平静而坚定的拒绝了他们的请求。他把自己黑色的帽子递给副官留作纪念，并向舰队司令南云将军发电报表示歉意，然后举起一大杯水与同袍们道别。桅杆上高高飘扬的太阳旗被降了下来，小心的叠好并带走，军号奏起了《君之代》。天皇的画像被虔诚地转移到附近的一艘驱逐舰上。当船员们离开这艘战船的时候，山口多闻向护航的野分号驱逐舰发布了他的最后一个命令：“发射鱼雷击沉‘飞龙’号。”随着火焰渐渐地包围了舰桥，这位将军转向加来止男船长，平静地说道：“这片大海多美呀，让我们一起欣赏这美丽的大海吧。”事后人们对这位联合舰队中公认最有才华，最可能接上山本五十六的班的将军的这种寻短见的行为有过很多猜测，有人认为，山口将军在此时已经明白日本的命运已不可改变，他不愿意活下来亲眼看到那一天。

野分号驱逐舰向飞龙号发射了威力巨大的93酸素鱼雷，击沉了这艘坚持到最后的航母。野分号驱逐舰不会想到，在以后的日子里，它会成为整个舰队中击沉吨位数最高的军舰，而它所击沉的，绝大多数都是自己的战舰。

从飞龙号上起飞的轰炸机群在侦察机提及的位置没能找到美军编队。于是他们开始在附近搜索。此前，他们已经通过无线电得知飞龙号受到重创的消息，他们知道，自己回去也没有可以降落的甲板了。

时间流逝，很快到了中午12点，轰炸机群如果再不返回，他们就没有回去的燃油了。山口在给他们命令里，让他们回去，在舰队上空跳伞。但这条命令被轰炸机群的指挥官小林上尉拒绝了。他通知编队，如果需要回去的自行回去，而他决心无论如何，要为飞龙号报仇。

中午12点13分，小林机群在海面上发现了船只留下的航迹，跟着航迹，不久之后，他们找到了美军航母约克城号。