當己方三艘航母被重創的訊息傳來後，飛龍號航母指揮官山口多聞展開堪稱賭博的進攻。

6月4日11點52分，日軍飛行指揮官小林道雄帶著山口多聞的復仇執念開始進攻約克城號，他在進攻前進行了簡單的分兵，按照3架戰機為一個分隊的方式分別進攻，每個分隊都排成了標準的“V”字型。由於約克城號有超過日軍的指揮儀和雷達，美軍提前做好了防備，美軍野貓式戰機用接連不斷的衝鋒給破壞了日軍的作戰隊形。美軍飛行員艾爾伯特.麥卡斯基一個猛烈的衝鋒貫穿了日軍整個機隊，然後他又轉向攔截了日軍第二中隊的指揮官山下途二。

數架日軍戰機在交戰中很快起火掉入大海中，指揮小林中隊第二分隊的近藤武憲也被美軍擊落陣亡。任何敢於靠近“約克城”號航母進行俯衝轟炸的99艦爆機都遭到了擊落，其他幾架零式戰機也被防空火力和美軍戰機阻攔，只能匆忙的投下炸彈，這些炸彈毫無準確度可言。小林道雄試圖利用99艦爆機迂迴到美軍的野貓式戰鬥機後面，進行偷襲，攜帶著重磅炸彈的99艦爆機卻很難做到這一點。美軍的TBD魚雷轟炸機也不斷飛到空中，試圖用數量優勢壓倒日軍戰機。每一分鐘都有戰機從空中掉入海中，日軍和美軍的戰機展開了血腥的消耗戰。眼看小林道雄就要全軍覆沒，重鬆康弘終於帶著4架零式戰機加入了戰鬥。四架零式戰機以三架戰機被擊落的代價搶下了制空權（唯一倖存的是重鬆康弘，他在13:30返回“飛龍號”），讓小林道雄的99艦爆機可以順利的執行轟炸任務。12點10分空戰結束，小林道雄帶領的18架99艦爆機已經只剩下了7架，損失了接近三分之二的攻擊力量。小林道雄本人也在陣亡名單中，他陣亡的時間是在12點11分以後，這是他最後發出電報的時間。

7架99艦爆機的飛行員作戰經驗，他們善於進攻，也善於保護自己。七架99艦爆機中第一個發起進攻的飛行員衝向了“約克城號”的船尾，在剛剛投彈後就被船尾的高射機槍擊中，這架99艦爆機瞬間被打碎成三塊，飛行員當場陣亡。被這架99艦爆機投下的炸彈卻十分精準的投向了“約克城號”中央的升降機，引發了爆炸。第二架99艦爆機飛行員也遭遇了同樣的命運，他的戰機一樣在船尾被美軍高射炮達成了碎片。他也同樣投擲出了命中“約克城號”的炸彈，這顆炸彈引爆後在“約克城號”船尾引發了大火。兩名戰友接連慘死的景象沒有動搖土屋孝義的決心，他是第三個上場的飛行員。土屋孝義以75度俯衝的高難度動作投下了戰機攜帶的半穿甲彈。由於他投彈的位置是船尾，這個半穿甲彈沒有給“約克城號”造成危害，這次投彈宣告失敗。土屋孝義投彈不中立刻閃人，成了第一分隊唯一活著返回“飛龍號”的飛行員。第四個發起進攻的是松本貞雄，這次投下的炸彈落入了大海。

第五個進行轟炸的是中澤巖男，他的投彈員是第二分隊的指揮官中山海松少尉。這是一對完美的組合，中澤巖男從8000英尺（2438米）高度進行了一次完美的俯衝，中山海松在美軍的防空火炮打擊下成功的將242公斤半穿甲彈投到了“約克城號”的中部，命中了“約克城號”的鍋爐通風口，嚴重影響了鍋爐工作，轟炸過後美軍不得不停用了9個鍋爐中的6個。“約克城號”當時的表現是濃煙滾滾，速度明顯下降。第六架出場的99艦爆機由中川靜夫架勢，他採取了不常見的滑翔轟炸方式，用這種方式將250公斤高爆炸彈命中了“約克城號”的前起降機。最後登場的是瀨尾鐵男，他的戰機瞄準了“約克城號”的右舷，投下的炸彈卻從“約克城號”上插肩而過，他投下的炸彈種類不明，但效果顯著，約克城號就是因為他的攻擊而最終沉默。為了這個戰績日軍也付出了慘重的代價，18架99艦爆機中13架被擊落，返回的五架戰機裡還有一架被迫退役，兩架傷重暫時不能使用，狀態完好的只有2架。