進攻中途島是日本聯合艦隊司令山本五十六的主張，曾經擔任過日本駐美國使館武官的他，非常清楚美國的工業製造能力。他希望奪取中途島，進而奪取美軍太平洋艦隊基地，趁美國太平洋海軍還沒有恢復元氣，儘快將其殲滅。只有這樣，日本纔有機會能夠和美國坐下來談判，迫使美國承認日本在西太平洋的地位。

     中途島位於太平洋中部，西距東京2250海里，東南距珍珠港1135海里，由東島和沙島兩個環礁組成。沙島面積稍大，東西長約3000米，南北寬約2500米，地勢平坦，北部有一個港口。東島約爲沙島的一半大小，呈三角形。

     中途島面積雖不大，卻頗受美日雙方的重視。島上的美軍飛機可以警戒半徑爲600海里的區域，港口可用作美軍航空母艦編隊機動作戰的補給和前進基地。鑑於其攻防兩用的特點，中途島成了美國在中部太平洋理想的戰略前沿陣地。

對日寇來說，佔領了中途島，就可以把中部太平洋的防禦圈大大向東推進，並可利用島上的海空基地，有效地監視和警戒夏威夷羣島的美國太平洋艦隊的行動。另一方面，日寇佔領中途島，還可以在美國中部太平洋防禦圈上打開一個缺口，威脅夏威夷羣島，並以此作爲日後攻佔夏威夷的跳板。

     阿留申羣島位於日本千島羣島的東北方，一系列小島由西向東直抵美國阿拉斯加半島。阿留申羣島東部的烏納拉斯卡島的荷蘭港，是美國在北太平洋的重要海空軍基地。西部的阿圖島可以設置水上航空基地，附近小島可以建立大型岸基飛機場。

阿圖島東面的基斯卡島有適於建立潛艇基地和水上航空基地的港灣。基斯卡島東面的阿達克島海灣可容納大型艦隊，日寇判斷，美軍將在這些島嶼上興建一系列海空軍基地，從而危及日本本土。因此，日寇準備在進攻中途島的同時，攻佔阿圖島、基斯卡島和阿達克島，一方面牽制美軍的中途島作戰兵力，另一方面建立北太平洋警戒基地。

     同偷襲珍珠港時一樣，日本海軍作戰部聽到山本五十六的新計劃仍然大喫一驚，這個計劃太過大膽，戰爭還不到半年就已經打到美國太平洋海軍的大門口是他們沒有想到的。這一次山本五十六仍然以辭職爲要挾，逼迫統帥部同意他的方案。這也是反對他的人最忌憚的，因爲自從聯合艦隊成功偷襲了珍珠港，山本五十六已經成爲日本僅次於天皇的偶像，如果他辭職，這些人無疑會背上罵名。

     1942年4月20日，日寇大本營召開陸海軍聯席會議，授權聯合艦隊全力以赴奪取中途島和阿留申羣島西部。隨後，聯合艦隊制定出作戰計劃，並於4月底獲得批准。該計劃主要包括：“攻佔中途島，封堵美軍艦隊自該方面的機動，並推進我方的作戰基地……海軍在以有力部隊支援和掩護攻佔中途島的同時，捕捉殲滅前來反擊的敵艦隊……陸海軍協同攻佔並破壞阿留申羣島西部要地，增加敵人自該地機動及空中進攻的困難。”

     5月5日，奉日本天皇敕令，海軍發佈第18號作戰指令：“帝國聯合艦隊司令長官山本五十六將軍與陸軍協同佔領中途島和阿留申羣島西部戰略要地。此令。”

同時，爲牽制美軍兵力，誘使美軍分兵，還規定對阿留申羣島的攻擊應先於中途島方向。

     相比於日本聯合艦隊，美軍太平洋艦隊的實力要弱得多。尼米茲手裏能夠調動的航母只有哈爾西指揮的第16特混艦隊所轄的“企業”號和“大黃蜂”號航母，弗萊切的第17特混艦隊所轄“約克誠”號航母在5月份的珊瑚海海戰中遭受重創，正在返回珍珠港維修。“列剋星敦”號航母則在珊瑚海海戰沉沒，而“薩拉託加”號航母剛剛在美國西海岸完成維修，無法及時趕回珍珠港。

     不過，尼米茲手中有一個王牌，就是由萊頓和羅切斯特領導的太平洋艦隊情報小組。起初這個小組的工作並沒有得到尼米茲的重視，但在1942年4月，羅切斯特向他提供了一組情報：“日寇已完成印度洋作戰任務，正在向國內集結；日寇沒有進攻澳大利亞的打算；新幾內亞東部將面臨新的攻勢；日海軍將在太平洋地區發動更大的攻勢，並會調動聯合艦隊大部分兵力。”

     這份情報雖然缺少細節，但基本上勾勒出日寇的下一步動向。尼米茲對這份情報是將信將疑的，他內心的真實想法是既然情報工作如此出色，爲什麼在日寇偷襲珍珠港前沒有任何發現？爲了謹慎起見，尼米茲還是將第17特混艦隊派往新幾內亞的珊瑚海海域，以防備日寇真的在那裏進攻。事實證明，羅切斯特的情報是準確的，日寇果然在5月初發動了對新幾內亞東部莫爾茲比港的攻擊，由於美軍提前有所準備，日寇的進攻企圖沒有實現。

     珊瑚海戰後，情報小組更加夜以繼日地工作，他們基本上判斷出日寇下一個進攻的目標在太平洋中部，但是具體是哪裏還不清楚。美國總統羅斯福擔心日本下一個進攻的目標可能是北部的阿拉斯加，甚至是美國西海岸；海軍部長歐內斯特金認爲是夏威夷；馬歇爾認爲是舊金山。尼米茲認爲：日寇的目標可能有三個，即阿留申羣島、珍珠港和中途島，而這三處無論日寇選擇哪一處都繞不開中途島。

     他的分析需要得到證實，此時情報小組的工作有了進一步進展，在日本海軍軍令部與聯合艦隊的一系列密電中，經常出現兩個最常出現、最引人注意的字母“AF”，這個代號有時作爲一個目標，有時作爲艦隊集結的地點。而這個代號在幾個月前情報小組偵聽到的一份電文中也出現過，當時一架日寇水上飛機在中途島附近的一個小島得到了潛艇上的燃料補給，那份電文提到的加油地點就在AF附近，所以羅切斯特判斷“AF”指的就是中途島！

     爲了進一步證實自己的判斷，羅切斯特跟萊頓商議，能否讓中途島基地拍發一份明碼誘餌電報，電文內中表示中途島淡水蒸餾設備發生故障，飲水告急，以此來試探日本方面的反應，此事經過尼米茲的同意後立即付諸實施。第二天，羅切斯特的小組果然監聽到日寇的密電中出現“AF缺乏淡水……必須向AF登陸部隊提供淡水”等內容。至此，美軍終於確定了日寇的下一步進攻目標。

     5月初，尼米茲親臨中途島，檢查了島上的所有佈防，並通知島上駐軍做好一切準備，隨即向這裏增派了作戰飛機和部隊，至開戰前島上駐有3000多名官兵和115架作戰飛機。5月8日，珊瑚海海戰結束，尼米茲命令弗萊切的第17特混艦隊和哈爾西的第16特混艦隊立即返回珍珠港（第16特混艦隊因執行“轟炸東京”任務，沒有來得及參加珊瑚海戰役，但他們完成任務返回珍珠港後，也被尼米茲派往珊瑚海海域）。

     5月17日，美軍第8特混艦隊和陸軍第11航空隊派往阿留申羣島。

     5月25日，參加中途島戰役的指揮官齊聚太平洋艦隊司令部，在尼米茲一再逼問下，萊頓將自己還不敢確定的情報提供給與會的高級將領：“聯合艦隊將於6月3日進攻阿留申羣島，6月4日進攻中途島，當天早晨6時、在中途島西北325度方位、175海里處會發現日寇艦隊。”萊頓的情報經事後驗證，與美軍實際發現日寇的時間差5分鐘、方位差5度、距離差5海里，這在浩瀚的太平洋上已經算不上是誤差。

     5月27日，美軍艦隊在珍珠港完成集結。原計劃尼米茲想要第17特混艦隊司令哈爾西擔任這次海上作戰的最高指揮官，但此時哈爾西正患有嚴重的皮膚病。在醫生的一再堅持下，不得不住院治療，他隨後向尼米茲推薦了斯普魯恩斯。而尼米茲出於謹慎起見，將兩個艦隊統一指揮權力交給剛剛在珊瑚海戰表現出色的第17特混艦隊指揮官弗萊切。當天，尼米茲再次召開作戰會議，最終決定：“由於敵我力量懸殊，美國航空母艦部隊應避免在中途島以西正面與日寇交鋒，而採取側翼伏擊戰術，突然襲擊日寇航空母艦部隊。”

爲此，要求第16、第17兩支航空母艦特遣艦隊於5 月28日和30日先後駛離珍珠港，於6月2日祕密駛抵北緯32 度、西經173度的中途島東北約325海里處會合，“隱蔽待機，準備突襲預計在中途島西北面出現的日寇航空母艦部隊……運用強大的消耗戰術最大限度地摧毀敵人。”

同時，尼米茲給航空母艦艦隊司令的特別訓令∶“在執行規定的任務時……你們必須遵循不輕易冒險的原則，若無把握使優勢之敵遭受較之我方更大的傷亡，則須避免暴露自己，免受其打擊。”

     5月28日，斯普魯恩斯率領第16特混艦隊出發，他的艦隊共有2艘航母（“企業”號、“大黃蜂”號）、5艘重巡洋艦、1艘輕巡洋艦、9艘驅逐艦和一支油船補給隊。5月30日，經過3天不間斷搶修，“約克誠”號航母跟隨第17特混艦隊離港，駛向中途島。弗萊切的艦隊除“約克誠”號航母外，還包括2艘重巡洋艦和5艘驅逐艦。6月2日，第16、第17特混艦隊在中途島以東海域會合。

     日本海軍將進攻中途島的日期預定爲6月5日（實際戰鬥主要集中在6月4日），所以各部隊必須在5月下旬從各基地出發。爲了達成作戰目標，山本五十六調動了的聯合艦隊所有艦船傾巢出動，並編成6個戰術編隊。

     先遣部隊由第6艦隊司令小松輝久中將指揮，下轄1艘輕巡洋艦、15艘潛艇。任務是先行偵察中途島的美軍情況和天氣狀況，並在開戰前，前出至中途島和夏威夷之間組成潛艇警戒線，以攻擊支援中途島的美國艦隊。

     第1機動部隊由第1航母艦隊司令南雲忠一指揮，轄4艘重型航母（“赤城”號、“加賀”號、“飛龍”號、“蒼龍”號）、2艘戰列艦、2艘重巡洋艦、1艘輕巡洋艦、12艘驅逐艦及艦載飛機261架。任務是在登陸作戰之前空襲中途島的美軍機場及各種設施，消滅島上的美軍航空兵，支援並掩護登陸作戰，同時殲滅可能來犯的美軍太平洋艦隊。

     攻佔中途島部隊由第2艦隊司令近藤信竹指揮，轄輕型航母1艘、戰列艦2艘、重巡洋艦8艘、輕巡洋艦2艘、驅逐艦21艘、水上飛機母艦2艘、運輸艦15艘及若干掃雷艦、獵潛艦，各類艦載飛機56架，運輸艦上載有登島部隊5800人。任務是在第1機動部隊消滅中途島的美軍航空兵後，輸送並掩護登陸部隊佔領中途島，同時準備在中途島附近海面截擊美軍艦隊。

     北方部隊由第5艦隊司令細萱戍子郎指揮，分爲北方部隊主力、第2機動部隊、阿圖島攻佔部隊、基斯卡島攻佔部隊和潛艇部隊5個支隊。轄2艘航母、3艘重巡洋艦、1艘輔助巡洋艦、12艘驅逐艦以及掃雷艇、運輸艦若干艘，艦載飛機82架，搭載登陸兵2450人。任務是空襲荷蘭港美國海軍基地，破壞阿達克島美軍軍事設施，攻佔阿圖島和基斯卡島，準備迎擊美軍艦隊。

     岸基航空部隊由第11航空艦隊司令冢原二四三指揮，下轄輕巡洋艦1艘、驅逐艦3艘、運輸艦19艘以及陸基飛機214架，其中36架零式戰鬥機由第1機動部隊攜帶。任務是佔領中途島後立即以島上機場爲基礎，實施空中作戰。偵察珍珠港方面美軍艦隊的情況，在各部隊實施中途島作戰期間，儘可能以太平洋各島嶼爲基地，廣泛進行空中偵察和警戒。

     主力艦隊由山本五十六親自指揮，下轄輕型航母1艘、戰列艦7艘、輕巡洋艦3艘、驅逐艦21艘、水上飛機母艦2艘以及各類艦載飛機35架。任務是掌握中途島作戰全局，間接支援北方的作戰，重點支援中途島作戰，同時攻擊美軍艦隊。

     此次作戰，日寇攻擊出動水面艦艇206艘、艦載飛機470架，岸基飛機214架，登陸部隊及基地設置部隊1.68萬人

     5月中旬，作戰準備工作完成，各艦隊開始集結。

     5月18日，山本五十六在其旗艦發佈作戰訓令。

     5月26日，南雲忠一率領的第1機動部隊從柱島基地出發，駛向中途島西北海面；28日，山本五十六率領的主力部隊離開柱島基地，在第1機動部隊身後400海里跟進。這支實力明顯優於美軍的艦隊，此時還不掌握美軍航母艦隊的動向，相反，美軍已經大體清楚日寇的兵力和行動計劃。

按照日寇的計劃，兩架偵察機將於馬紹爾羣島的沃特傑起飛，然後飛往中途島和夏威夷之間的弗倫奇－弗裏格特沙洲，在那裏會有等候他們的一艘潛艇爲他們加油，然後飛往瓦胡島執行偵察任務。但是日寇潛艇抵達沙洲附近時，發現那裏有2艘美軍船隻，由此日寇不得不放棄這次偵察任務。

另一個擔任偵察任務的是日寇的先遣艦隊的潛艇，他們計劃於6月2日到達中途島和珍珠港之間的海域，佈置警戒線並偵察美軍的動向，但這些潛艇在3日纔到達指定位置，此時美軍的兩個特混艦隊已經穿過這片海域，到達了中途島附近。所以，直到開戰前，日寇仍然不清楚美軍航母艦隊是否在中途島，更不知道他們的具體位置。

     戰鬥首先在北面的阿留申羣島打響。

6月3日2時左右，攻擊阿留申羣島的北方部隊第2機動部隊避開美軍潛艇、巡邏艇和飛機的偵察與警戒，抵達荷蘭港西南約180海里處，48架艦載戰鬥機和轟炸機起飛前去實施第一次空襲。由於氣候惡劣和美軍戰鬥機的攔截，空襲收效不大，僅摧毀油罐場、無線電站等地面設施，但發現了5艘美軍驅逐艦。

8時45分，日寇再次出動飛機45架，實施第二次空襲。又因烏雲遮蓋，能見度不佳等原因，僅有2架飛機到達目標區域上空。在美軍戰鬥機攔截下，這兩架飛機一毀一傷，第二次空襲失敗。

     第2機動部隊原計劃3日以空襲壓制荷蘭港的美海空力量之後，即轉向攻擊阿達克島、阿圖島和基斯卡島，支援該地登陸作戰。但由於空襲目的未能達到，第2機動部隊決定4日再度空襲荷蘭港。其間，美國太平洋艦隊曾明確要求僅以飛機和潛艇進行反擊，因此，美軍的水面艦隊主力始終停在後方的科迪亞克島待機，飛機則頻頻攻擊日寇艦隊。因氣候不良，雲層太低，未取得戰果，美軍損失9架飛機。

     4日午後，第2機動部隊的突擊機羣剛離艦，便接到聯合艦隊的命令∶迅速南下支援中途島方面作戰。第2機動部隊回收飛機後，於18時26分轉向南下，前去與第1機動部隊會合。

     在中途島方向，最先被發現的是日寇攻佔中途島部隊，這支以驅逐艦爲主要護航力量、以15艘運輸艦爲主體的艦隊，搭載着攻佔中途島的5800多名日本陸軍部隊。

按照山本五十六的要求，這支艦隊行駛在第1機動部隊的前面，這是一個反常規的安排，因爲運輸艦的速度偏慢，在行駛過程中容易被敵方發現，所以通常會跟在戰鬥艦隊的後面。山本五十六的想法是：如果南雲忠一的第1機動部隊進展順利的話，那攻佔中途島的部隊要晚於第1機動部隊2天抵達中途島，這樣不利於日寇的整體作戰，所以他這次冒險將運輸艦放在前面，這樣他們可以在第1機動部隊完成對中途島的空襲後立即登陸中途島。

     中途島美軍岸基偵察機於6月3日8時在中途島以西600海里處，發現了近藤信竹指揮的攻島部隊，隨後島上出動9架B-17轟炸機各攜帶4枚重磅炸彈，向西對日寇發動攻擊。當美轟炸機抵近近藤信竹的艦隊後，擔任護航任務的日寇驅逐艦立即對空射擊，組成了一道嚴密的火網。轟炸機不得不慌忙地在1萬米高空投下了炸彈，對日艦造成的損失僅僅是落入水中的炸彈，將海水濺溼了日寇的軍服。

當晚，中途島美軍決定出動魚雷機，趁夜色繼續攻擊日寇艦隊，23時50分，4架魚雷攻擊機在中途島以西400海里處再次發現了目標，在30米高度美軍投放了魚雷，隨後聽到一聲巨大的爆炸聲。據事後得知，被擊中的是日寇“曙光”號油輪，魚雷將船舷一側炸開了直徑10米的大洞，隨後引發了彈藥庫爆炸，造成艦上23人死傷，但油船沒有傾覆，而是繼續跟隨艦隊向中途島駛去。

     攻擊中途島部隊遇襲並沒有讓山本五十六慌亂，在他的預期中，運輸船隊走在艦隊的前面，的確需要承擔一定的風險，但只要挺過6月3日，等到4日南雲忠一的部隊抵近中途島，他們的威脅也就不存在了。

     6月3日夜，第1機動部隊已經進入臨戰狀態。19時40分，“利根號”重巡洋艦拉響警報，聲稱發現大約10架美軍飛機。3架戰鬥機隨即起飛迎敵，但他們並沒有發現美軍飛機，顯然這是一次誤報。

4日凌晨，南雲忠一派出去的偵察機始終沒有搜尋到美軍的航母艦隊，所以他和他的參謀們判斷：“美軍在中途島附近沒有航母艦隊；我方尚在敵方偵察機活動半徑之外，所以美軍不會危及我們的安全；我方應適時發動對中途島的攻擊，得手後再轉過頭來迎擊美軍增援的艦隊。”基於以上錯誤的判斷，南雲忠一下達命令4時30分攻擊機羣起飛轟炸中途島。此時他們已經前出至中途島以西240海里處。

     4時45分，36架轟炸機、36架俯衝轟炸機和36架戰鬥機從航母上起飛，擔任第一波次攻擊任務。5時，擔任第二波次攻擊任務的飛機已經停滿了甲板，每架俯衝轟炸機都攜帶了1枚250公斤的炸彈，每架水平轟炸機都攜帶了一枚魚雷，飛機數量與第一波次相同，也是轟炸機、俯衝轟炸機和戰鬥機各36架。

按照南雲忠一的設想，第一波次對中途島的攻擊可以有效地摧毀美軍的守島兵力，特別是機場上的飛機，第二波次攻擊編隊是用來對付可能出現的美軍海上艦隊。爲此，他又一次派出5架偵察機，繼續搜索中途島周圍海域。這一次，幸運之神再一次降臨在美軍身上，由於技術故障，偵察飛機推遲了半個小時出發，如果按照正常時間起飛，他們會在計劃飛行路線上發現美軍的特混艦隊，美軍因此逃過了一劫。

     6月4日3時，弗萊切派出10架偵察機向西進行扇形搜索。5時34分，第17特混艦隊的偵察機發現了日寇第1機動部隊的2艘航母，而且幸運的是日寇並沒有發現這架偵察機，否則他們會由此判斷出這架海上偵察機肯定不是中途島起飛的飛機，而且還會通過偵察機飛來的方向判斷出美軍艦隊的方向。

不久，另一架偵察機發現了攻擊中途島的日寇飛機編隊。此時，中途島的機場上一片繁忙，首先起飛的是偵察機，他們離開機場飛向東面安全的空域躲避攻擊，接着是6架魚雷攻擊機、4架B-26雙引擎轟炸機，他們作爲第一波次攻擊日寇第1機動部隊；隨後第二波次的16架俯衝轟炸機和14架B-17空中堡壘轟炸機起飛；27架老舊的“夜貓”和“水牛”戰鬥機最後起飛，迎擊日寇攻擊編隊。

     戰鬥在兩個地域（中途島上空和南雲忠一艦隊上空）先後展開！

     在中途島上空，日寇的“零式”戰鬥機展示了它性能的優越性，美軍的舊式戰鬥機完全不是日本戰鬥機的對手，不到半個小時，美軍戰鬥機就損失了一半。掃清了島上領空後，日寇的轟炸機開始對島內目標實施轟炸。36架水平轟炸機在3500米高空轟炸了中途島機場跑道、機庫和其他地面設施；36架俯衝轟炸機穿過美軍高射炮火力網，從超低空投下了攜帶的全部炸彈。島上機場2號跑道遭到嚴重破壞，一枚炸彈命中機庫，引爆了裏面的一些炸藥，將整個機庫炸飛，一枚炸彈炸燬發電站，致使島上供電和蒸餾水廠陷入癱瘓，這次是真的癱瘓。

     6時43分，日寇第一波次攻擊結束，由於美軍事先有所準備，受損情況並不嚴重，約有20人陣亡，跑道並沒有被全毀，地面其他設施經過幾天的搶修就可以完全修復，戰鬥機損失較爲嚴重，共有15架飛機被擊落，另有7架受傷。

     7時5分，從中途島起飛的美軍第一波次10架轟炸機飛臨南雲中一艦隊上空，6架魚雷攻擊機貼着水面飛向日寇艦隊，日寇艦船防空火力立即向美軍開火，10架零式戰鬥機隨即升空。在零式戰鬥機面前，美軍的魚雷攻擊機成了活靶子，很快就被衝亂了隊形，只有其中一架魚雷機在慌亂中發射了一枚魚雷，但並沒有擊中日艦，這架被擊傷的魚雷機隨後返回中途島機場，它和機上2名受重傷的機組人員是美軍6架魚雷攻擊機唯一返回基地的倖存者。

與此同時，4架轟炸機從側面向艦隊中央的“赤城”號航母發動攻擊，6架零式戰鬥機攔住了他們的攻擊路線，在700多米高空，美軍轟炸機投下4枚魚雷，但都沒有命中，而自身已經被擊落2架飛機，剩餘的2架轟炸機返回中途島。至此，美軍第一波次進攻結束，沒有造成日艦任何損失。

而美軍第一波次的進攻卻起到了另一個間接的作用，由於日寇第一波次攻擊中途島的效果不理想，日寇旗艦“赤城”號上開始對下一步行動發生分歧，有人認爲應該對中途島發動第二波進攻，停在甲板上的飛機應該換上攻擊地面目標的炸彈，而不是閒置在那裏等待始終沒有發現的美軍艦隊。正在南雲忠一猶豫不決時，美軍的第一波次攻擊開始，南雲認爲的確有必要對中途島再實施一次空襲，以徹底摧毀那裏的空中防禦力量。隨後，他命令甲板上的飛機換下魚雷，換上炸彈。於是，地勤人員一頓忙碌，一個小時後，完成第二次攻擊的地面準備，此時是8時40分。

     在甲板上地勤人員緊張忙碌期間，美軍中途島起飛的第二波次攻擊編隊飛臨第1機動部隊上空，14架“空中堡壘”轟炸機在6000多米高空投下炸彈，然後揚長而去，他們報告4枚重磅炸彈擊中了日寇2艘航母，而實際上日寇艦安然無恙。隨後不久16架俯衝轟炸機也對第1機動部隊實施了打擊，但在日寇戰鬥機和防空火力的阻擊下，損失8架飛機，也沒有達成任何戰果。

     儘管如此，和第一波次攻擊一樣，第二波次攻擊仍然起到了間接效果，由於艦隊被連續攻擊，第1機動部隊的戰鬥機頻繁起降，加上爲了躲避美軍飛機的攻擊，南雲忠一的艦隊的陣型已經散亂，需要時間收攏陣型，再繼續攻擊中途島。

此時他們收到了一個意想不到的消息。此前因設備故障推遲出發的偵察機，返航的途中在中途島東北200多海里處發現了美軍的特混艦隊，這個消息讓“赤城”號上的南雲忠一和他的參謀們大喫一驚。權衡再三，南雲忠一決定取消對中途島的進攻，剛剛升到甲板上的轟炸機卸下炸彈，再換回魚雷，準備隨時可以進攻美軍艦隊，同時清理出甲板，讓即將返回的轟炸中途島的飛機降落。此外，等飛機全部返回後，艦隊向北移動，等重新集結完畢，再向美軍進攻。

     隨後，日寇飛機開始陸續降落，地勤人員也開始換下炸彈，重新更換成魚雷，新的攻擊編隊包括54架魚雷機和36架俯衝轟炸機，由於艦隊同樣需要保護，分配給轟炸編隊的戰鬥機只有12架。

9時18分，地勤人員完成工作，這個過程中，他們犯下了致命錯誤，由於時間來緊迫，更換下來的炸彈沒有來得及送到下面的彈藥庫，全部堆積在機庫旁邊，這些炸彈最終葬送了南雲忠一的第1機動部隊。

     我們再將時間撥回到早晨6時，瞭解一下美軍航母艦隊在過去幾個小時做些什麼。

弗萊切的第17特混艦隊派出的偵察機發現了日寇第1機動部隊，此時美軍的兩支特混艦隊在中途島東北240海里處，弗萊切立即命令斯普魯恩斯的第16特混艦隊向西南急進，在查明日艦準確位置後予以攻擊。第17特混艦隊則等待回收派出去的10架偵察機，然後追趕斯普魯恩斯。

7時30分，斯普魯恩斯推算他和南雲忠一的艦隊相距150海里，如果此時出動飛機，剛好能夠趕上攻擊中途島的日寇飛機返回航母加油裝彈，這是一個絕好的攻擊時機。隨後，“企業號”和“大黃蜂號”上的35架轟炸機、33架俯衝轟炸機、29架魚雷機和20架戰鬥機編成4個機羣飛向預定目標。

第17特混艦隊不等與第16特混艦隊會合，在回收全部偵察機後，立即派出17架轟炸機、12架魚雷機和6架戰鬥機組成第5個機羣，向日寇第1機動部隊位置飛去。在“約克誠”號航母上，弗萊切特意保留了一半的作戰飛機，以應對意外情況。

     9時20分，第16特混艦隊的第一波次攻擊編隊14架魚雷機抵達第1艦隊上空，隨同他們一同前來的35架轟炸機在途中失去了聯繫，此時日寇地勤人員剛剛完成地面工作。

兩條時間線到這裏彙集。

這一次攻擊，美軍的魚雷機並沒有戰鬥機護航，一同前來的戰鬥機因爲耗盡燃料，全部迫降在海上。而此時日寇的戰鬥機正在空中護航，在沒有戰鬥機掩護的情況下，美軍的魚雷機全部被擊落。隨後從“企業號”和“大黃蜂號”起飛的魚雷機，以及從“約克誠”號航母起飛的魚雷機、戰鬥機，陸續發動了第二波次和第三波次攻擊，均被日寇戰鬥機和艦船防空炮火擊退。至此，美軍特混艦隊艦載機出動的41架魚雷機，連續發動三次攻擊，共發射魚雷13枚，無一命中日艦，自身損失38架魚雷機。

     10時10分，來自“企業號”的33架俯衝轟炸機和“約克誠”號的17架俯衝轟炸機飛抵第1機動部隊上空，幸運的是，此時日寇戰鬥機大部分因爲燃料耗盡返回了航母，剩下的戰鬥機飛離艦隊上空追擊美軍其餘飛機。於是，幸運之神賦予了最後攻擊日艦的美軍編隊，他們發動了決定戰場勝負的攻擊。

10時24分，“企業號”的25架美軍轟炸機圍攻“加賀”號航母，4枚炸彈命中；10時26分，“企業”號5架轟炸機攻擊“赤城”號航母，2枚炸彈命中；“約克誠”號17架轟炸機圍攻“蒼龍”號航母，3枚炸彈命中。3艘日寇航母中彈後，引爆了機庫旁的炸彈，相繼沉沒。

     此時，第1機動部隊只剩下山口多聞指揮的第2航空艦隊所轄的“飛龍”號航母。在發現美軍艦隊後，山口多聞就建議立即攻擊美軍艦隊，但南雲忠一沒有同意，山口多聞感到危險將至，遂命令“飛龍”號與艦隊拉開一段距離，也因此在美軍攻擊時，唯獨漏掉了“飛龍”號。南雲忠一將空中作戰的指揮權交給山口多聞，後者於10時58分派出18架轟炸機和6架戰鬥機向美軍艦隊反擊。

     12時，日寇飛機飛抵“約克誠”號上空。此時弗萊切的艦隊已經通過雷達獲悉了日機來襲，隨後15架戰鬥升空，艦隊以V形編隊防禦。同時弗萊切向第16特混艦隊發出求援信號，斯普魯恩斯立即派遣擔任本艦隊空中護航的6架戰鬥機增援弗萊切。由於美軍戰鬥機太多，日寇的6架戰鬥機無法纏住全部美軍戰鬥機，日寇的轟炸機很快就損失了12架。剩下的6架轟炸機完全散開，各自爲戰，這樣就加大了戰鬥機的支援難度。隨後，“約克”誠號連續被3枚炸彈擊中，艦上搶險隊立即對該艦搶修，很快撲滅了艦上的大火，2個小時後，“約克誠”號恢復了航速，繼續投入作戰。在此期間，弗萊切將帥旗遷至“阿斯托利亞”號巡洋艦。

     日機返回“飛龍號”後，已經是下午13時30分，此時日寇才搞清楚美軍一共有3艘航空母艦。山口多聞決定，動用“飛龍號”上所有的飛機，對美軍艦隊發動第二次攻擊，隨後10架魚雷機和6架戰鬥機起飛。一個小時後，日寇飛機發現美軍航母，雖然戰鬥機數量仍處於劣勢，但這次日寇戰鬥機成功纏住了美軍戰鬥機，魚雷機隨即發射的魚雷有2枚命中目標。日寇至此認爲擊沉了美軍2艘航母，而實際上被2枚魚雷擊中的仍然是“約克誠”號，該艦於次日沉沒。

     重創日寇3艘航空母艦的美軍也在急於尋找日寇的第4艘航空母艦。14 時30分，美軍搜索飛機發現了“飛龍”號。15時30分和16時3分，斯普魯恩斯集中40架轟炸機分兩批起飛攻擊日艦。16時45分左右，第一批轟炸機背對夕陽接近月標，8分鐘後開始攻擊，4枚炸彈命中目標，“飛龍”號燃起大火，該艦於6月5日12時被日寇發射魚雷自沉。美軍第二批轟炸機轉向對日寇戰列艦、巡洋艦的攻擊，未果，美軍損失轟炸機5架。

     至此，美軍擊毀了日寇第1機動部隊的全部航空母艦（4艘）和艦載飛機，取得海上伏擊戰的決定性勝利，迫使日寇放棄對中途島的進攻。此後，美軍爲避免與日寇夜戰，在回收飛機後，於19 時零7分向東方規避。戰鬥力大減的日寇第1機動部隊擔心美軍追擊，向西北方撤退。

     5日清晨，北方部隊指揮官細萱戍子郎獲悉，由於作戰受挫，聯合艦隊主力已經開始從中途島撤退。山本五十六命令北方部隊繼續攻佔該羣島西部，阻止美軍航空力量南進。7日1時27分和21時15分，日本海軍陸戰隊和陸軍北海支隊分別佔領了基斯卡島和阿圖島，登陸未遇抵抗，俘虜兩島美軍非戰鬥人員幾十名。因新發現的沃特角美軍機場離阿達克島僅有350海里，細萱戍子郎決定不在阿達克島登陸。6月19日，北方部隊除阿圖島和基斯卡島留守部隊外，全部返回。