中途岛作战计划是在联合舰队司令山本五十六亲自主持下由联合舰队司令部制定的，联合舰队参谋长宇垣缠海军少将总负责，联合舰队首席参谋黑岛龟人海军大佐筹划计划纲要和轮廓，其他参谋则按专业分工制订该计划的各个细节。作战目的一是占领中途岛，夺取航空兵前进基地，二是引诱并歼灭美国太平洋舰队。为确保战役胜利，将首先对阿留申群岛发动佯攻，以分散牵制美军，日军主力则隐蔽前往中途岛，夺取该岛并消灭前来增援的美军太平洋舰队。如果达成战役企图，将极大消耗美军的有生力量，沉重打击美军的战斗意志，并能将美军在太平洋上发动战略反击的时间至少推迟到一九四四年以后，为日本赢得宝贵的时间，从而积蓄起充足的力量来保持有利而稳定的战略态势。
1942年3月底计划出台，4月初提交海军军令部讨论，遭到了强烈反对，海军军令部认为由于中途岛距离较远，无法得到岸基航空兵的支援，而且难以做到出其不意，退一步说，即便占领中途岛，组织防御和维持补给都是非常困难的。但在山本的坚持下，军令部在原则上表示同意，但在战役发起时间等一些细节上还有分歧。而日本陆军则反对海军的计划，主张进攻澳大利亚。东京遭到空袭后，日军大本营感到了来自东面的威胁，使一切反对中途岛作战的意见烟消云散。从这一点上讲，杜立特尔无疑是中途岛大捷的第一功臣。
日军计划投入航空母舰八艘，水上飞机母舰五艘，战列舰十一艘，重巡洋舰十三艘，轻巡洋舰九艘，驱逐舰六十八艘，潜艇二十四艘，扫雷舰五艘，运输舰十六艘，后勤补给舰二十一艘，飞机七百架，陆军八千六百人，海军二万三千人的庞大兵力来执行这一计划。战役最高指挥官为联合舰队司令山本五十六海军大将。
作战序列为：
一、主力编队，由山本五十六亲自指挥，下辖航空母舰一艘，水上飞机母舰两艘，舰载机十九架，水上飞机五十架，战列舰七艘，轻巡洋舰三艘，驱逐舰二十一艘，补给舰四艘担负策应中途岛和阿留申群岛的任务；
二、机动编队，由南云忠一海军中将指挥，下辖航空母舰四艘，舰载机二百六十六架，此外还搭载计划用于中途岛的岸基航空兵飞机四十六架，战列舰两艘，重巡洋舰两艘，轻巡洋舰一艘，驱逐舰十二艘，补给舰五艘负责对进攻中途岛的空中支援，并寻机消灭美国太平洋舰队；
三、登陆编队，由近藤信竹海军中将指挥，下辖航空母舰一艘，水上飞机母舰两艘，舰载机二十三架，水上飞机四十架，战列舰两艘，重巡洋舰八艘，轻巡洋舰两艘，驱逐舰二十一艘，运输舰十四艘，补给舰八艘，运载地面部队五千八百人〔由太田实海军大佐指挥的第二联合特别陆战队和由一木清直陆军大佐指挥的一木支支队组成〕，负责在中途岛登陆；
四、北方编队，由细萱戌子郎海军中将指挥，下辖航空母舰两艘，搭载舰载机八十二架，水上飞机母舰一艘，水上飞机十架，重巡洋舰三艘，轻巡洋舰三艘，驱逐舰十二艘，潜艇六艘，扫雷舰五艘，运输舰三艘，补给舰三艘，运载地面部队一千八百人，其中穗积松年陆军少佐指挥一个步兵大队〔相当于营〕和一个工兵中队〔相当于连〕组成陆军北海支队，共约一千二百人负责在阿图岛登陆，向井一二三海军少佐指挥的舞鹤镇守府第三特别陆战队约六百人负责在基斯卡岛登陆，作为佯攻；
五、先遣侦察编队，由小松辉久海军中将指挥，下辖轻巡洋舰一艘，潜艇供应舰一艘，潜艇十七艘负责在中途岛与夏威夷之间建立三道潜艇警戒线，侦察美军的动向。
此外还有冢原二四三中将指挥的以南洋诸岛为基地的二百一十四架岸基飞机，其中战斗机一百零八架、鱼雷机七十二架、轰炸机十架、水上飞机二十四架，担负空中侦察和掩护。
该计划规定6月2日侦察编队的潜艇进入中途岛与夏威夷之间以及中途岛以东海域的预定阵位，建立三道潜艇警戒线；6月4日对阿留申群岛进行空袭，以配合中途岛方向的主攻；6月5日机动编队对中途岛进行空袭，压制消灭岛上的航空兵力，随后进至中途岛以北海域一面支援登陆作战，一面准备迎击美军舰队的反击，待夺取中途岛机场之后，其航母所搭载的岸基飞机立即转至岛上；6月6日在基斯卡岛和阿图岛实施登陆；6月7日代号为Ｎ日，登陆编队实施对中途岛的登陆，之所以选择6月7日为登陆日，因为那是6月中一个有月光的夜晚；主力编队于6月7日抵达中途岛西北海域，为登陆编队提供火力支援，并与美军舰队展开海上决战。该计划将在两个方向展开，中途岛为主攻方向，阿留申为佯攻方向，两个方向密切配合，相互支援，一旦美军前往任一方向迎战，都将由主力编队负责以海上决战将其歼灭。整个计划组织严密，规模宏大，日本海军可以说是倾巢而出，几乎投入了所有能动用的舰艇。这一行动的耗油量几乎相当于日本海军在和平时期一年的耗油量，甚至还有人说所有参战军舰的甲板面积总和比中途岛的面积还大。但该计划有一个致命的缺点，那就是犯了分散兵力的兵家大忌，当时日军在太平洋上占有绝对优势，只需集中全力进攻中途岛，就可稳操胜券，却反而把部队分为几个相距遥远又难以及时相互支援的编队，削弱了自己的的优势、分散了自己的兵力，埋下失败的契机。
趾高气扬的日军自峙占据优势，作战准备难免有几分疏漏，特别是既没有及时修复在珊瑚海海战中负伤的“翔鹤”号航母，也没有迅速为飞行员伤亡惨重的“瑞鹤”号航母补充飞行员，致使这两艘航母无法参加中途岛作战。如果这两艘航母能及时恢复战力，按原定计划加入南云的机动编队，那么在中途岛作战方向，日军航母在数量上就将占有六比三的绝对优势，南云就可以拥有足够的力量游刃有余地应付美军中途岛岸基航空兵和航母舰载机的同时攻击，极有可能改变战役的最终结局。
5月18日，参加中途岛登陆作战的指挥官一木清直陆军大佐来到“大和”号，接受山本关于作战计划的指示。至此，各参战部队都已领受了作战任务。
5月20日，山本发布各部队作战部署的最后命令，考虑到联合舰队还需要七天才出海，为了不白白浪费这几天，联合舰队组织了为期两天的大规模实战演习。
5月25日，在“大和”号上进行了一次中途岛和阿留申作战的图上演习。演习中却最生动不过地说明了日军狂妄自大和轻率愚蠢达到了何等地步！根据演习的裁判计算，美军投中了九枚炸弹，击沉日军两艘航母。这一客观结论，却被先改为命中三弹，击沉击伤航母各一艘，最后竟索性改为一艘也没有损失。完全可以这么说，此时此刻，日军根本没有想到过失败。刚参加珊瑚海海战归来的高木武雄海军中将还向参加演习的指挥官和参谋人员作了详细报告。当晚山本海军大将和参加图上演习的参战部队指挥官及参谋人员在“大和”号聚餐，喝着天皇所赐的米酒，为祝愿即将到来的作战获得成功而干杯。至此，日军战前准备一切就绪。
1942年5月27日，濑户内海西部著名军港柱岛锚地，朝霞映照着规模庞大的日本舰队。柱岛位于广岛以南，锚地周围是许多丘陵起伏的小岛，小岛上从岸边直到山顶都是农田，每座山顶都部署着严密伪装的高射炮群，锚地之大足以容纳整个日本海军，而且远离商船航道，优越的天然条件简直是为联合舰队度身定做的。开战以来，第一舰队和第一战列舰战队就一直停泊在柱岛，以等待传统的海上决战，以至于一直征战在外的航空母舰飞行军官们，以讽刺的口吻把它们称为“柱岛舰队”。
此时，这支庞大的舰队正静静地等待着出击，每艘军舰都已完成了出海准备，加满了燃油、弹药和补给品，因此沉重的载重将水线压得很低。整个锚地一片寂静，除了军舰上的旗帜在风中猎猎作响，但是人们却分明感觉到激动的情绪弥漫着整个舰队。这天正是日本的海军节，三十七年前的今天，东乡平八郎海军大将率领的日本联合舰队在对马海峡战胜了俄国舰队。太平洋战争开始半年以来，日本海军取得的战绩足以与三十七年前的辉煌胜利相媲美，联合舰队士气高昂，官兵们都确信，此次出海将为日本海军再添新的光荣！
八时正，“赤城”号航母升起了起航信号，第十驱逐舰战队，第八巡洋舰战队，第三战列舰战队第二小队，第一航空母舰战队和第二航空母舰战队依次拔锚，开赴战场。
当舰队驶出锚地时，晚出发的其他部队官兵列队欢呼，挥动帽子为他们送行，整个气氛是喜气洋洋的，每个人都深信自己即将参加的是另一次辉煌胜利。舰队在中午前后通过了丰后水道，傍晚时已深入太平洋，以环形巡航队形向东南挺进。——出航后不久，“赤城”号飞行长，偷袭珍珠港时的空中总指挥渊田美津雄海军中佐就因急性阑尾炎，被送进了舰上的医务室。几天后第一航空舰队作战参谋源田实海军中佐也因重感冒引发肺炎而住进医务室，这两位日本海军最优秀的航空军官因病缺阵，对于不熟悉航空业务的南云来说，简直就是失去了左膀右臂。而联合舰队总司令山本此时也正遭受着胃病的煎熬，日本海军三位精通航空业务的人杰，在这大战前夕不约而同病倒，似乎预示着这次海空决战流年不利！
接下来几天其他部队也按计划出发了。细萱海军中将的北方编队，于5月28日从大凑起程；同天晚上，运送中途岛登陆部队的运输船在田中赖三海军少将指挥下从塞班岛出发，为了欺骗美军潜艇，运输船队先向西航行绕到提尼安岛南面，再转向东；几乎同一时间栗田健男海军少将的重巡洋舰支援部队从关岛出发，在运输船队西南约四十海里并肩东进；5月29日晨，联合舰队的其它舰只也从濑户内海出发——打头阵的是由近藤信竹海军中将率领的中途岛攻击编队，其后是山本的旗舰“大和”号为首的主力舰队，由三十四艘舰只组成。这是日本海军在二次大战中规模最大的一次海战，仅这次行动要消耗的油量，就相当于和平时期日本海军一年消耗的油量。
“大和”号战列舰上空飞行的九七式舰上攻击机编队
中途岛位于北美洲至亚洲的太平洋航线中点，因而得名，距旧金山和横滨均为二千八百海里〔约五千一百八十五千米〕，距珍珠港一千一百海里〔约二千零三十七千米〕，由沙岛和东岛两个岛屿围成一个直径约六海里〔约十一千米〕的圆形环礁，陆地面积四点七平方千米，是个天然良港。1867年被美国占领，1903年起美国在岛上开始建立海军基地和海底电缆站。在第二次世界大战期间，是美军在中太平洋的重要的海空基地。
美军1942年5月初在太平洋上的局势极为严峻，太平洋舰队司令尼米兹上将通过对日军现状的分析研究，判断日军如果发动攻势的话，中途岛必将是首要目标，所以他放下手头繁忙的工作，于5月2日前往中途岛视察。尼米兹仔细检查了岛上的防御工事，查看了通讯设施和线路，尤其关心对连接珍珠港的海底电话线路的情况，因为这条线路可以直接通话，又没有遭到干扰和侦听的危险，一旦战斗打响，将是最重要的通讯线路。接着尼米兹又与中途岛守备司令西里尔·赛马德海军中校和地面部队司令哈罗德·香农海军陆战队中校进行了交谈，香农中校提出了一连串物资需求，尼米兹问：“是否解决了这些东西，你就能守住中途岛？”香农毫不犹豫地回答：“是的！”尼米兹随即笑着将他的要求记下来一回到珍珠港后，尼米兹就将赛马德和香农的军衔提升至上校，以表示对他们工作的肯定，并竭尽所能向中途岛增调物资和人员。至六月初，中途岛的守备部队增至三千人，飞机也从二十四架增至一百二十架，其中ＰＢＹ“卡特莱纳”水上飞机三十二架、Ｆ２Ａ“水牛”战斗机二十七架、ＳＢＤ“无畏”俯冲轰炸机十六架、ＴＢＤ“复仇者”鱼雷机十七架、Ｂ－２６“掠夺者”轰炸机四架、Ｂ－２７“空中堡垒”轰炸机十七架。
美国海军作战部长金上将要求情报部门密切关注日军的战略动向，太平洋舰队情报部门电讯监听站在约瑟夫·罗彻福特中校的领导下，开展了极其艰巨的密码破译工作。5月21日罗彻福特破译出日军有关作战计划的电文，彻底掌握了日军参战部队、兵力部署、航行路线等核心机密。尼米兹对此次作战持乐观态度，并尽最大努力加强中途岛的防御，至6月3日，美军在中途岛的飞机已增至一百二十架，守军增至约三千人，还在岛屿周围的滩头布设了大量障碍物。关于海军兵力，美军在太平洋上原有五艘航母，“列克星顿”号〔ＣＶ－２〕已在珊瑚海海战中战沉，“萨拉托加”号〔ＣＶ－３〕因伤在本土修理，直到6月1日才从圣迭戈起航，已赶不上此次海战了。尼米兹向英国海军商量，试图借用正在印度洋活动的英国航母，但未能如愿。他只好于获知日军进攻的当天即5月16日，命令在太平洋上所剩的三艘航空母舰火速返回，5月26日和5月27日，以“企业”号和“大黄蜂”号为核心的第十六特混编队和以“约克城”号为核心的第十七特混编队分别回到了珍珠港，“约克城”号在珊瑚海海战中受伤，是拖着长达十海里的油迹回来的，按正常情况，修复工作需三个月，但战役迫在眉睫，作为海军工程专家的尼米兹亲自穿着长筒靴带领舰船修理专家组仔细检查“约克城”号的伤势，发现该舰的发动机、推进器、升降机、飞行甲板等关键设备都完好无损，只有舰体有些破损，修复工作根本不需要原来所说的三个月，于是命令修船厂必须在三天里完成修复工程！一千四百名船厂工人夜以继日地不懈努力，为满足修船时所消耗的巨大电能，檀香山停止了部分民用电的供应，引起了居民的极大抱怨。但是该舰三天就基本修好，为作战增加了一支可观的力量。就在美军紧张进行临战准备之时，第十六特混编队司令哈尔西中将患上了严重的皮肤病，无法出海指挥作战，他推荐第十六特混编队巡洋舰部队指挥官斯普鲁恩斯少将代替指挥。
第十六和第十七特混编队的指挥官弗莱彻少将和斯普鲁恩斯少将奉命率领航空母舰埋伏在中途岛东北三百二十公里的海面上。虽然尼米兹上将本人相信日军的目标是中途岛，但也有人不相信，因此他将埋伏的位置选择在中途岛东北方，这样万一敌舰不是开往中途岛，他的航空母舰编队也可以转而保卫夏威夷或者美国的西海岸。
美军航母编队在驶往中途岛附近海域途中
当南云中将的四艘航空母舰离开濑户内海的次日，斯普鲁恩斯少将率领他的第十六特混舰队，包括“企业”号，“大黄蜂”号，六艘巡洋舰和十六艘驱逐舰驶出了珍珠港。两天后，弗莱彻少将也乘着“约克城”航空母舰，率领第十七特混舰队的另外两艘巡洋舰，六艘驱逐舰，跟着出发了。
“大黄蜂”号航母
日本联合舰队司令部选定六月七日作为进攻中途岛的Ｎ日。那时的月光对夜间登陆极为有利。预定在Ｎ日前两天，当南云的舰队到达中途岛西北四百公里处的时候，就对中途岛发起大规模的空袭。南云舰队的飞机，不仅要摧毁中途岛上的美国陆军航空力量和防御工事，而且要击沉附近的所有美国战舰。
“加贺”号航母
Ｎ日前一天，一支由藤田将军率领的小型水上飞机供应部队，准备在中途岛西北九十六公里的库雷小岛上降落，建立基地，一方面接应登陆部队，一方面进行远程侦察，监视诱入圈套的美国舰队的来临。
Ｎ日天一亮，日本海军陆战队将在栗田少将的重型巡洋舰的炮火掩护下，对中途岛的沙岛和东岛同时发动进攻，并强行登陆。在实施入侵的整个过程中，近藤中将的主要入侵舰队将控制中途岛南方和西南方。
山本的战列舰将守候在中途岛西北一千公里的洋面上，南云的舰队则埋伏在中途岛以东四百八十公里处。在整个作战海域周围，部有三道日军潜艇警戒线，监视敌舰的逼近，及早发出警报。
6月2日，南云的突击舰队在没有雷达帮助下，在浓雾中向着中途岛的方向驶去。南云和草鹿站在“赤城”号航空母舰的舰桥上，焦急地注视着周围的浓雾。这浓雾虽然能把他们隐藏起来，但也给舰只近距离间隔行驶带来危险。由于能见度太差，无法派出弹射观测机，使得整个舰队成了一个睁眼瞎。南云的参谋班子有人认为：“即使美国人已经知道了我们的行动，并且已经出击了，此刻离他们的基地也不会远，当然也不会离我们很近。”因此突击舰队应该按原计划进攻中途岛，其它人表示同意。
“苍龙”号航母
到了6月3日黎明，迷雾更浓，甚至探照灯也不能穿透周围的一片昏暗。由于有碰撞的危险，南云不得不动用一直保持沉默的无线电，向他的舰艇发布命令。
不久，九架从中途岛起飞的美国陆军Ｂ－１７型“空中堡垒”轰炸机在日军登陆舰队上方出现。但是它们的轰炸准确性太差，炸弹都白白地丢在大海里，日军的运输舰和护航舰都完好无损地向前行进。
清晨，一小队掠海飞行的美军鱼雷轰炸机又全力紧逼袭击，但只有一枚鱼雷奏效，击中了日军护航舰队后面的一艘油船。
尽管如此，山本大将还是感到忧虑不安。他原来指望南云的俯冲轰炸机会在美国人尚未怀疑有入侵舰队逼近之前，就能轰炸中途岛和岛上的飞机场，现在看来行迹已经败露。
南面，南云的突击舰队继续前进。6月3日上午十时，迷雾消失，海天明朗，前方的航路波涛汹涌，日军舰队以二十四节的航速破浪前进，蔚蓝色的海面上掀起层层白浪。灰色的钢铁战舰，编成一支巨大的环形队列，炮筒林立的战列舰“榛名”号和“雾岛”号不可一世，四艘大型航空母舰“赤城”号，“加贺”号，“飞龙”号和“苍龙”号，威风凛凛地航行在中央。
中途岛海战中日本突击舰队的日本“雾岛”号战列舰
6月3日傍晚，日舰迅速地从西北方向朝中途岛聚拢，次日拂晓前就能抵达离目标三百二十公里的起飞地点了。
此时美军的两支特混编队，由弗来彻和斯普鲁恩斯率领，正在中途岛东北方向五百公里的地方。统率这两支特混编队的弗莱彻少将正确地判断出，日军的航空母舰编队就在不远的地方。6月3日晚七时五十分，他率领舰队朝着西南方向驶去。他深信第二天将是“美国海军史上最重要的日子”。次日拂晓，他就能驶抵中途岛北面，恰好能袭击日军的进攻舰队。
这是个非常了不起的判断。因为当晚美国的航空母舰离日军南云舰队只有一百六十公里。斯普鲁恩斯通过目视信号通知部下说：他们可能碰上占优势的敌人；日军有四～五艘航空母舰，此次战斗的胜利对美国国家安危，是极为重要的。在美国军舰上，小道消息总是不径而走。关于日本密码已经被破译，此刻正在布下陷阱的说法很快就传开了。在军官室里，饭厅里，到处都是一片振奋的情绪。
1842年6月4日凌晨二点四十五分，“赤城”号航空母舰上的扩音器突然响了起来，进攻的时刻到了。
在甲板上，飞行人员正在匆匆地进早餐：米饭，酱汤，干饭栗和白酒。当黎明的一抹曙光出现在海天之际时，日本四艘航空母舰上的探照灯都已经打开，照亮了宽敞的飞行甲板。这四艘航空母舰上配备的飞机数量分别是：“赤城”五十四架，“加贺”六十三架，“飞龙”五十四架，“苍龙”五十六架。
此刻这四艘航空母舰位于中途岛西北二百四十海里，正迎着风全速行驶，为舰载机起飞作准备。源田中佐命令飞行部队作好对中途岛发动第一波进攻的准备。
四时三十分，南云中将的参谋长草鹿龙之介少将下达了进攻的命令。这时渊田中佐也从病房里出来了。他在下面呆不住，爬上甲板来看代替他率领第一攻击波的友永城市大尉。
指挥起飞的军官挥了挥绿灯，第一架“零”式战斗机掠过灯火通明的起飞甲板，冲向黎明前黑暗的天空。甲板上的水兵齐声欢呼为他鼓气。接着，八架战斗机相继起飞，然后是十八架爱知Ｄ３Ａ１“九九”式舰载俯冲轰炸机。“九九”式被盟军方面叫做ＶＡＬ轰炸机。该机为固定式起落架，但机动性能好，可当战斗机使用；机身下挂二百五十公斤炸弹，两翼下各挂六十公斤炸弹，时速三百八十六公里。
正在起飞滑行的“零”式战斗机
十五分钟内，一百零八架飞机——俯冲轰炸机，水平轰炸机和“零”式战斗机各三十六架，从四艘航空母舰上同时起飞。它们以壮观的环形队列轰鸣着绕行舰队一周，然后向着东南方的中途岛扑去。舰上的人们注视着它们翼尖上一长串红蓝灯光闪烁着逐渐远去。
从航母上腾空而起的“零”式
第一攻击波刚刚起飞完毕，南云中将立刻命令第二攻击波作好出击准备。与此同时，南云突击舰队的七架川崎Ｈ８Ｋ水上侦察机，受命前往东面和南面搜索美国航空母舰。其中五架侦察机顺利起飞走了，但是重巡洋舰“利根”号上的两架侦察机，却因为弹射器发生故障，起飞时间耽误了半个小时。这一耽误，给日本舰队以后带来了意想不到的厄运。
中途岛此时已有准备，正严阵以待南云的第一批突击飞机。
清晨五时五十分，中途岛上的雷达发现了来袭的日军机群。岛上的战斗警报尖锐的响了起来。此时友永大尉率领的日本一百零八架攻击机群，离中途岛大约还有一百五十公里。尼米兹上将命令岛上的所有飞机立即起飞。他用战斗机迎击敌机群，轰炸机和鱼雷攻击机全部飞往海上去寻歼日军舰队。
六架“复仇者”鱼雷攻击机和四架装有鱼雷的Ｂ－２６轰炸机，起飞后迳直朝北方的日军航空母舰方向飞去。十九架Ｂ－１７轰炸机和三十七架“无畏”，“守护者”俯冲轰炸机也紧跟着它们前进。二十架“水牛”式战斗机和六架“野猫”式战斗机则向西北飞去，迎击向岛上飞来的敌机。
清晨六时十六分，当中途岛上的所有飞机刚刚起飞完毕，美国战斗机就和日本飞机遭遇上了。日本护航的“零”式战斗机队，在美国飞机还来不及冲入自己的轰炸机群时，就和他们干上了。双方的飞机俯冲，跃升，相互紧咬追逐。日本的战斗机不但在数量上超过迎击的美国飞机，而且在性能上也比对手优越。
“零”式四机编队
由三菱公司生产的Ａ６Ｍ２“零”式战斗机，虽然只装一台九百五十马力的发动机，但是由于机体轻巧，最大高空时速可达五百三十四公里，海平面可达四百五十四公里；机上装两挺７．７毫米机枪和两门二十毫米机炮。
由格鲁门公司生产的Ｆ４Ｆ－３“野猫”战斗机，装一台一千二百马力发动机，最大高空时速五百一十五公里，海平面时速四百四十一公里，装六挺１２．７毫米机枪。
F4F“野猫”式战斗机
由布鲁斯特公司生产的Ｆ２Ａ－３“水牛”式战斗机，性能则更差一些。它装一台九百五十马力的发动机，高空最大时速五百一十七公里，只有四挺１２．７毫米机枪。
F2A－3“水牛”式战斗机
空战的结果，美军战斗机十七架被击落，七架被击伤。日军“零”式战斗机未受损失，也没有让美军战斗机击落一架轰炸机。
没有了美国飞机的拦截，日本攻击机群直扑中途岛。轰炸机冒着猛烈的高射炮火频频俯冲，肆意轰炸了二十分钟，炸中了岛上建筑物，油库和一个海上飞机库。可是日本轰炸机想要在中途岛消灭对方航空力量的企图却落空了。它们所能找到的轰炸目标，不过是空的飞行跑道和几座空机库，岛上所有的飞机都已飞上了高空。
领队的友永大尉在袭击结束后，驾机巡视了全岛。他虽然看到中途岛已经成了一片浓烟滚滚的火海，但是也发现岛上的飞机跑道并未被彻底摧毁。他认为有必要对中途岛实施第二波攻击。但此时他率领的第一攻击波飞机，弹药已尽，油料也所剩无几，只得返航了。
被击落在中途岛的日本“零”式战斗机
就在南云的突击舰队向中途岛发动第一波空袭的同时，美国方面也在积极准备发动队日本入侵舰队的反击。
6月4日黎明，日出前半小时。美国海军第十七特混编队指挥官弗莱彻少将，从“约克城”号航空母舰上派出了十架侦察机去搜寻敌人的舰队。不过首先发现日本航空母舰的，还是从中途岛起飞的“卡特莱纳”式水上侦察机。
清晨五时二十五分，霍华德·艾迪上尉驾驶一架从中途岛起飞的“卡特莱纳”水上侦察机，在靠近南云突击舰队航行的海域，恰巧钻出了云层。
海战功臣，首先发现日本航空母舰的“卡特莱纳”水上侦察机
当他发现那一大批灰色的舰只时，着实吓了一跳。“发现敌人的航空母舰”艾迪用无线电向基地报告。弗莱彻少将接到敌人舰队的确切情报后，却不能从他所乘坐的“约克城”号航空母舰上派出舰载机首先出击。因为他所派出的十架侦察机的燃油快用完了，需要把飞行甲板空出来，先让侦察机降落。
清晨六时零七分，弗莱彻少将向“企业”号航空母舰上的斯普鲁恩斯少将发去电报，命令第十六特混编队首先向敌舰队发起空袭，第十七特混编队随后跟上。斯普鲁恩斯少将本来计划再航行三小时，也就是当天上午九时，再出动舰载机进行攻击。因为到那时，他同日本舰队之间的距离，将缩短到一百六十公里以内。这对于航程有限的舰载攻击机和战斗机，作战比较有利。
不过他的参谋人员提出了不同意见。特混编队参谋长米切尔·布朗宁上校认为，如果把出击时间定在上午七时而不是九时，那么就能使出击的飞机在日军航空母舰最脆弱的时刻，也就是在他们空袭中途岛的飞机返回母舰降落的时刻，正好抵达敌舰上空发动攻击。
这是一个大胆冒险的主意。因为飞行距离比原计划远了，危险也增大了。他的攻击机和护航的战斗机都可能由于油料耗尽而无法返航。要是在平时，斯普鲁恩斯是不会冒这个险的。而这一次，由于有可能给日本舰队来个突然袭击，他也就把危险置之度外了。
经过深思熟虑，他作出的关系此次战役胜败的第一个重要决定，是采纳布朗宁上校的意见，把出击时间提前到上午七时；第二个同样重要的决定，是命令两艘航空母舰上的大部分飞机出动参加袭击，把宝一次全部都押上。
当时，第十六特混编队所辖的两艘航空母舰，拥有飞机数量分别是：“企业”号七十九架，“大黄蜂”号七十九架。
上午七时零二分，十四架“复仇者”式鱼雷攻击机，三十二架“无畏”式俯冲轰炸机在十架“野猫”式战斗机护航下，从“企业”号航空母舰上起飞；十五架“复仇者”、三十五架“无畏”在十架“野猫”护航下从“大黄蜂”号航空母舰上起飞。这样，总共二十九架鱼雷攻击机，六十七架俯冲轰炸机，在二十架战斗机的护航下，离开航空母舰，远程奔袭敌人舰队。
SBD“无畏”式俯冲轰炸机
他们的油料只够勉强返航，但是飞行勇士们义无反顾，杀奔战场。斯普鲁恩斯少将只留下八架“无畏”式俯冲轰炸机和三十六架“野猫”式战斗机来保卫自己编队的安全。
弗莱彻少将率领的第十七特混编队跟在斯普鲁恩斯后边大约十五海里。他过了一个半小时才命令飞机起飞。他的“约克城”号航空母舰载机九十五架。等到十二架“复仇者”式鱼雷攻击机和十七架“无畏”式俯冲轰炸机在六架“野猫”式战斗机的护航下飞离“约克城”的甲板，已经是上午九点零六分了。
南云突击舰队在送走袭击中途岛的第一波攻击机群后，第二批突击飞机立即从各航空母舰的下层甲板，一架一架地由升降机提升到上层的飞行甲板上。
当四艘航空母舰的飞行甲板再次停满飞机时，初升的红日，象耀武扬威的日本国旗，已经完全跃出了太平洋海面。这次留在航空母舰上等待出击的第二批飞机，大部分是中岛Ｂ５Ｎ２“九七”式舰载鱼雷攻击机。鱼雷机的飞行员是日本海军航空兵的精华。尽管这支日本舰队的所有指挥官都确信，在附近根本不可能有美国的航空母舰；根据山本大将的估计，美国航空母舰最早也要到6月7日，才能赶到中途岛海域。不过南云中将为了防备万一，还是把他最优秀的飞行员留在舰上，以便对付美国舰队的进攻。
“九七”式鱼雷攻击机是当时世界上性能优越的舰载轰炸机，盟军方面称其为ＫＡＴＥ轰炸机。时速三百七十八公里，载弹八百公斤。它既可挂鱼雷，攻击对方的航空母舰或其它舰只，也可以挂炸弹，轰炸机场等地面目标。这时它们挂的都是鱼雷。
6月4日凌晨六时，南云的旗舰“赤城”号发现空中有美国侦察机在活动。它就是艾迪上尉驾驶的“卡特莱纳”水上飞机。日军舰队开始感到不安，担心遭到随之而来的空袭。 七时，南云中将收到了友永大尉发来的关于需要对中途岛施行第二次攻击的电报。他还来不及作出反应，七时十分，处于舰队最前方的一艘驱逐舰打出了旗语：“发现敌机。”信号旗在日舰桅杆上升起，警报声响彻海空。
六架“复仇者”鱼雷攻击机和四架Ｂ－２６轰炸机在“赤城”号航空母舰右舷出现。这是从中途岛起飞的第一批美国攻击机群。它们从一千二百米高度的云层中钻出。日本主力战舰重炮齐鸣，高射炮的连发炮火震耳欲聋，二十多架“零”式战斗机扑来阻击。
美国飞机列成单行，不顾猛烈的炮火，朝着“赤城”号扑来。“零”式战斗机迅速击落了三架，其余七架鱼雷攻击机继续向日本航空母舰进逼，越飞越近。它们轮番丢下鱼雷，又跃上高空。其中一架几乎同“赤城”号相撞，接着被击中焚毁。
这十架美国轰炸机的全体飞行人员，在没有战斗机护航下，自知难以生还，仍然视死如归。只可惜它们发射的鱼雷都错过了目标，无一命中敌舰。最后只有一架“复仇者”和两架Ｂ－２６返回了中途岛。
遭到美机首次空袭之后，南云判定这些美国飞机必定来自中途岛。他感到必须尽快把中途岛的航空力量消灭干净。再加上友永刚才发来的再次袭击的建议，南云终于下令再次进攻中途岛。为了空袭中途岛，就要把已经停放在“赤城”和“加贺”号航空母舰飞行甲板上的飞机，重新用升降机运回下层甲板，以便将挂在机身下的鱼雷卸下，再往飞机上配挂炸弹。为鱼雷机改挂炸弹的命令，是七时十五分发出的。当机械兵把这些飞机从飞行甲板上往下降时，航空母舰上到处是一片紧张混乱的气氛。南云改装鱼雷机的决心，实际上是他的参谋长草鹿替他下的。因为草鹿认为，对他们的航空母舰来说，此时来自中途岛的飞机，比可能碰上的美国舰队更危险。
与偷袭珍珠港时一样，草鹿是南云舰队里实际上的最高指挥官，许多大主意都是他出的。当然，每次在采取行动之前，他都要征求南云的同意。而南云对他总是言听计从。
但是，舰上飞机换装炸弹的作业开始后还不到十五分钟，就传来了令人震惊的消息：巡洋舰“利根”号派出的一架远程侦察机，完成了五百公里的弧形搜索任务准备返回时，突然发现十艘美国军舰正在向东南方向破浪前进。这时大约是上午七时三十分。
南云接到这个报告大吃一惊。航图室迅速计算的结果表明，美国舰队离他只有三百二十公里。如果那十艘舰只中有敌人的航空母舰的话，那么南云的四艘航空母舰此刻就处于相当不利的境地。因为“赤城”，“加贺”两艘航空母舰上的鱼雷机，几乎全在下层甲板上重新装挂高爆炸弹，无法立即派他们出发去攻击美国舰队；而对方的航空母舰却可能已经派出飞机前来攻击。
日本人确实运气不佳。“利根”号巡洋舰上那架侦察机，如果不是因为弹射器出了故障而推迟半小时起飞，本来会在鱼雷机降到下层甲板去换装炸弹之前发现美国舰只的。那样的话，日本的鱼雷攻击机此刻就可能正朝美国航空母舰飞去了。而现在，就在日本舰上人员手忙脚乱的给飞机卸装武器的时候，取胜的时机丧去了。
七时四十五分，南云下令暂停对鱼雷机的换弹，他需要重新估计一下形势。但是日本人还来不及做出新的决定，美国飞机的第二次袭击又开始了。来的是中途岛的后续轰炸机。领头的是十六架“无畏”式俯冲轰炸机。这种舰载机是美国陆军Ａ－２４Ｂ陆基攻击机的改型，时速四百一十公里，航程一千二百四十三公里。它们没有战斗机的护航，当然不是日本“零”式战斗机的对手。还没有靠近敌人的航空母舰，就被击落了一半；其余的也被驱散。接踵而至的，是十五架时速四百七十五公里的Ｂ－１７“空中堡垒”轰炸机。它们从六千米高空朝海面星罗棋布的日本舰队水平投弹。可惜由于瞄准精度太低，一颗也没有命中。接下来的十一架“守护者”俯冲轰炸机，也没有战斗机的护航，在敌人的防空炮火和战斗机的阻击下，未能突破敌舰防线。
TBD“复仇者”鱼雷轰炸机
中途岛美机对南云舰队的这两次攻击，虽然都未成功，但是却打乱了日本人的作战计划。美军多机型的轮番进攻，先是鱼雷机，再是俯冲轰炸机，还有高空重型轰炸机，虽然未给日本舰队造成损害，却给南云很大的压力，使他感到中途岛基地的厉害。同时，就在美机第二次袭击的高潮中，八时零九分，南云受到了“利根”号派出的侦察机发出的令人宽慰的消息：“十艘美国军舰乃是五艘巡洋舰和五艘驱逐舰。”没有航空母舰的美国舰队是构成不了危险的。于是，南云下令继续准备攻击中途岛的陆地目标。甲板上再次陷入一片混乱：飞机继续卸下鱼雷，换挂普通炸弹。但是十分钟后，大约八时二十分，南云受到了另一个危险的消息：“利根”号派出的侦察机用无线电报告：“发现敌舰队，后方似乎随有航空母舰。”舰队的参谋们不相信。因为附近如果真有美国的航空母舰，他们早该发动进攻了。但是草鹿少将相信这个报告，南云也相信。这位日本海军中将根据经验判断：具有这样规模的敌人舰队，至少会有一艘航空母舰。他下令立即停止往飞机挂炸弹，相反地，要马上发起对美国舰队的攻击。面对敌方航母的威胁，日本人只得把中途岛暂时丢开了。换挂鱼雷的紧急命令，使日本航空母舰的甲板上更加混乱。为了争取时间，卸下的炸弹，都堆放在甲板上。
“西姆斯”级驱逐舰“哈曼”号
八时三十分，袭击中途岛返回的友永机群，已飞抵日本舰队的上空。现在，南云处于进退维谷的困境。这正是所有航空母舰司令官们最害怕发生的事情：他派往中途岛的第一批突击飞机，已经返航，需要立即让他们在母舰上降落；第二批突击飞机还未能起飞。还有那些保护航空母舰的“零”式战斗机，燃料快要用完了，也要降落加油。
于是停在“赤城”和“加贺”两艘航空母舰甲板上的飞机再次入库，给急待补充油料的“零”式战斗机和从中途岛归来的精疲力尽的袭击者腾出地方。这一大批飞机，一架接一架着舰，总共花了四十分钟的时间。当最后一架飞机的轮子触到甲板时，已经是上午九时十八分了。
这时，南云中将命令突击舰队把时速增至三十海里，把前进方向从东南改为东北，暂时撤离美军舰队所在的方向。他要等舰上的飞机重新装备好，再用他那庞大的海空力量，给美国的航空母舰以致命的打击。
日军四艘航空母舰上的人员，都在拼命地为三十六架俯冲轰炸机、五十四架鱼雷攻击机和为他们护航的战斗机，做着出击前的最后准备。这项准备工作需要延续一个小时。攻击机都挂装了致命的“长枪”攻舰鱼雷。时间紧迫，来不及把卸下的炸弹送到下面的弹药库中去，而是匆忙地把它们堆在一边。日本人怎么也想不到，他们这样卖力地摆弄鱼雷和炸弹，恰恰是在安排自己的坟场！
当日本人避开美国舰队的方向，在自己的航空母舰上埋头为进攻飞机作准备的时候，美国飞机还是找到头上来了。
九时二十五分，从美国“大黄蜂”号起飞的十五架“复仇者”鱼雷攻击机，低低掠过海面朝“加贺”号右舷飞来。他们经过二小时又二十分钟的远程飞行，已经相当疲劳了。更糟的是，为他们护航的十架“野猫”战斗机，此刻也同他们失散了。“野猫”为了占据对“零”式战斗机的有利高度，一直在高空云上飞行。当云层下的鱼雷机发现敌舰队的时候，不得不在没有战斗机护航下投入进攻。
“ 几十架“零”式战斗机向他们扑来，二十毫米的机炮喷出猛烈的炮弹，这些老式的鱼雷机毫无还手之力。当空中十五个黑点中的最后一个，化为一阵轻烟消失时，在舰上观战的日本水兵欣喜若狂，狂叫喝彩。然而贺采声未绝，在舰队边缘警戒的驱逐舰就接连发出紧急警报：“敌鱼雷攻击机正从低空飞向右舷！”“敌鱼雷机逼近右舷！”
这时是上午九时四十分，从美国“企业”号上起飞的十四架“复仇者”鱼雷攻击机，也抵达了日本舰队上空。他们同样与自己的护航战斗机失散了。尽管如此，他们还是奋不顾身地向“加贺”号航空母舰发动攻击。发出的鱼雷，几次险些命中目标，但是在猛烈的防空炮火和敌人的战斗机的阻击下，进攻又一次失败了。只有四架“复仇者”死里逃生，返回了中途岛。
没让日本人喘口气，上午十时整，南云舰队遭到了美国舰载鱼雷机的第三次攻击。这次是来自“约克城”号航空母舰上的十二架“复仇者”鱼雷机，有六架“野猫”战斗机护航。当他们逼近“苍龙”号航空母舰时，数量远比“野猫”多的“零”式战斗机，已经把美国的护航机团团围住。失去护航的美国鱼雷机，对“苍龙”号的攻击，也未能取得战果。最后只有两架美国攻击机，逃脱了被击落的命运。其它美国飞机，全部丧身海底。这样，从三艘美国航空母舰上派出的四十一架鱼雷攻击机，损失了三十五架，只有六架勉强返航。
六月四日从黎明到现在，日本人的运气似乎好得不得了。美国近百架轰炸机和鱼雷机发动的五、六个批次的轮番空袭，竟然全部落空，未伤日舰一根毫毛，而自己却落得个大败而归。
上午十时二十四分，南云舰载飞机的全部出击准备已经完成，第一架护航战斗机已经滑出甲板起飞。南云突击舰队的飞机就要实现对美国航空母舰的毁灭性打击了。
差不多就在这同一时刻，三十二架从“企业”号上起飞的美国海军“无畏”式俯冲轰炸机，由克拉伦斯·麦克拉斯基少校率领，已经飞临日本舰队上空。这批俯冲轰炸机是早晨七点多钟从“企业”号上起飞的，已经飞了近三个小时。由于南云的突击舰队一度改变航向，麦克拉斯基飞到预定的海域没有发现目标后，转而向中途岛飞去。可是到了中途岛也没有发现敌人，所以又朝北飞回来搜寻敌舰。
“企业”号航母
上午九时五十五分，他在高空发现了一艘掉队的日本驱逐舰激起的白色浪花。这艘驱逐舰正朝东北方向行驶。他判定这艘日舰可能是要追赶他的航空母舰编队，便悄悄地尾随着它。他跟在驱逐舰后面飞行了二十分钟，什么也没有发现。这时他的机队的燃料已经减少到了危险的程度，再往前飞就回不去了。但是他们不甘心，仍然决定再往前飞一两分钟。这时是上午十时二十分。
就在这时，麦克拉斯基少校和他的“无畏”式俯冲轰炸机的飞行员们，从高空看到海面上的日本航空母舰，正在掉头转到迎风的方向，准备舰上的飞机起飞。麦克拉斯基立即下达攻击敌舰的命令。他命令理查德·贝斯特上尉率领的中队去攻击南云中将的旗舰——“赤城”号航空母舰，威尔默·加拉赫上尉率领的中队，跟随他本人攻击“加贺”号航空母舰。
一声令下，早就渴望为珍珠港报仇的美国飞行员们，个个奋勇争先，往日本舰队俯冲下去。
“俯冲轰炸机！俯冲轰炸机！”一名日本军舰上的防空哨兵尖叫起来。他发现了美国的“无畏”式俯冲轰炸机的前锋正从云端飞来。它们神不知鬼不觉地悄悄逼近，在好在日本航空母舰编队无法还手的恰当时刻来到。
对于任何一个俯冲轰炸机的飞行员来说，这都是一幅蔚为壮观的景象：
在洋面上阵容庞大的战舰，组成一个巨大的环形队列，在这护卫圈的当中，是四艘大型航空母舰。更妙的是，在舰队的上方和周围，连日本护航飞机的影子都没有；所有的飞机都排列在航空母舰的甲板上，似乎对它们的危险处境一无所知。
俯冲下去的加拉赫上尉，瞄准了画在“加贺”号航空母舰飞行甲板上的太阳旗，那血红的太阳的直径，足有十五米。
他俯冲到五百米的高度，投下第一颗炸弹，然后急剧拉起飞机。他目不转睛地盯着他投下的炸弹，终于看到它在“加贺”号的飞行甲板的后部炸开了。接着，又有三颗炸弹飞往这艘航空母舰，在飞行甲板的前中后部分别炸开。飞行甲板上那些排得整整齐齐等待起飞的飞机，以及上面日本海军航空兵优秀飞行员们，霎那间全部被漫天大火所吞没。
“加贺”号这艘巨舰在几分钟内就被彻底摧毁了：舰上油烟滚滚，船身被烈火烤得发黑，船舱里不断发生爆炸，整个“加贺”号被笼罩在一片火海之中。
“加贺”号航空母舰的命运，把在“赤城”号上目睹这一切的草鹿少将惊得呆若木鸡。他没有注意到俯冲轰炸机也在向他这艘母舰扑来。突然，一道明亮夺目的爆炸闪光，照得“赤城”号航空母舰舰桥上的日本军官眼花缭乱。一支往上高窜的火柱将他们掀翻在地。几乎同时，舰上火焰乱窜，浓烟四起。
俯冲轰炸机投下一枚接一枚炸弹，穿透“赤城”的飞行甲板，在舰体深处爆炸。舰上飞机及其炸弹和鱼雷，接二连三连锁爆炸。灭火人员东奔西跑，穷于应付。大火蔓延到胡乱堆放在甲板上的燃料和弹药，再度引起大爆炸，把飞行甲板大块大块炸飞到空中。舰桥象在暴风雨中的树梢那样猛烈摇晃。几秒钟内，炽烈的大火从舱内腾起，四下蔓延，吞没了飞行甲板上的飞机。船尾的舵机也失灵了。这艘几分钟前还威风凛凛的大型航空母舰，如今在大海上绝望地颠簸摇晃，把燃烧着的飞机从甲板上抛进沸腾的大海。
日本航母舰队旗舰“赤城”号被击中，大火引发了弹药的大爆炸
面对这突如其来的灭顶之灾，舰桥上的南云中将呆若木鸡。火舌已经舔着舰桥上的玻璃窗。草鹿朝南云喊道：“咱们得撤离啦！”但是南云拒绝离开。成千加仑燃烧着的汽油流向下层甲板，放在机库内的鱼雷也开始爆炸了。一团团火球从舰身两侧喷射出来。南云仍然不肯离开舰桥。“赤城”号航空母舰舰长青木大二郎大佐朝南云喊道：“这艘舰由我负责，你和你的人员留在这里毫无用处，请转移到另一艘舰上去吧！”草鹿也劝南云说：他是整个突击舰队的司令，而不是某一艘舰的舰长。当南云被说服同意离开时，整个舰桥几乎都被大火围住了。“把玻璃打碎！”草鹿喊道。打碎玻璃后，他们垂下两条绳子，草鹿先把南云推出来，这位身材矮小的将军滑了下去，落到比舰桥低十四米的飞行甲板上，草鹿跟在后面。短短的六分钟内，“赤城”号被彻底炸毁了。
当然，美国飞机也有损失：攻击“加贺”和“赤城”的三十二架俯冲轰炸机，被日本舰队的防空炮火击落了十四架。就在麦克拉斯基少校率队向南云舰队发动进攻时，从“约克城”号航空母舰上起飞的十七架俯冲轰炸机，由马克斯韦尔·莱斯利少校率领，正飞行在距离日本舰队东南方约十公里。
莱斯利看见天际黑烟冲天，便朝西北方向飞去。透过云层，他瞥见了“飞龙”和“苍龙”号两艘航空母舰。他立即下令全队进攻，从四千五百米的高空向“苍龙”号猛冲下去。一颗四百五十公斤的炸弹首先击中“苍龙”号的飞行甲板，几分钟内，又有两颗炸弹命中，“苍龙”号很快就被大火吞没了。它成了一座爆炸燃烧的地狱。最后，“苍龙”号航母的舰长柳本柳作大佐不得不下令弃舰。
美国飞机的袭击于十时三十分结束。
前后短短的八分钟，日本三艘大型航空母舰覆灭的命运，全都无可挽回地注定了。几分钟前它们还是那么威风凛凛，转瞬间就变成了烈火熊熊的庞大残骸。随后的一天里，它们一一沉入波光粼粼的太平洋。
南云突击舰队现在只剩下“飞龙”号一艘航空母舰了。日本反击的最后希望，寄托在该舰舰长山口多闻少将身上。舰上飞行员听到舰长的训示时，不禁大吃一惊。山口舰长告诉他们说：“你们已是突击舰队的最后一批飞行员了。”这些飞行员们很难相信，几分钟之前，他们对美国舰队的寻歼，还是胜券在握；可是转眼之间，却变成要同优势之敌决一死战，为已遭覆灭的三艘姊妹舰报仇。
上午十时四十分，十八架“九九”式俯冲轰炸机，在六架“零”式战斗机的护航下，从“飞龙”号航空母舰上起飞，前去搜索攻击美国航空母舰。单靠他们自己本来是找不到的。是莱斯利少校率领的返航机群成了他们的向导。这些轰炸机无意中把敌机带回了弗莱彻将军的旗舰——“约克城”号航空母舰。
在高空盘旋的十二架“野猫”式战斗机，居高临下，冲入日本机群进行阻击，一举击落敌机六架。其余的日本轰炸机迅速向下低飞，进行俯冲轰炸。虽然有更多的敌机被炮火击毁，但还是有三颗炸弹命中“约克城”号。炸弹在巨舰体内爆炸，美军人员死伤无数。
当日本飞机消失之后，洋面上一片沉寂，留下十三架“九九”式轰炸机和三架“零”式战斗机的残骸。返航的日本机群立即向山口少将报告：命中“约克城”号，敌航空母舰爆炸起火。
但是靠着“约克城”号航空母舰上的损管人员的奋力抢救，舰上的火势被扑灭了，母舰不仅能低速航行，而且飞行甲板上的飞机还能继续起飞。可是好景不长，不久，又有十架日本“九七”式鱼雷攻击机在六架“零”式战斗机的护航下，掠海飞来。这是从“飞龙”号上起飞的第二批突击机群。他们把已经不再冒烟的“约克城”号当作了美军其它的航空母舰，对它再度发起攻击。日本飞机发射的鱼雷，击中了这艘大型航空母舰的右舷和中部，破坏了舰上的全部动力、照明和通讯设备。“约克城”号剧烈地向左侧倾斜摇晃，听任风浪的摆布。舰长伊利奥特·巴克马斯特上校尽可能地坚持，最后还是发出弃舰的命令。
这样，美国方面只剩下斯普鲁恩斯少将指挥的两艘航空母舰了。此后，受伤的“约克城”号依然在海上漂浮，由一艘扫雷舰拖向珍珠港。6月6日清晨，日本Ｉ－１６８号潜艇发现了受伤的“约克城”号，偷偷地向它发射了两条鱼雷，还向为它护航的驱逐舰“哈曼”号发射了一条鱼雷。驱逐舰当即被击沉，舰上二百四十一名官兵，有三分之一丧身大海。航空母舰虽中了鱼雷却还在坚持。直到六月七日早晨，它的舰身突然倾侧翻转，在起伏的波浪中坠入海底。
美国人决心为“约克城”号报仇。
6月4日下午二时四十五分，一架美国侦察机发现，一支日本舰队正在西面行进。它们包括：两艘战列舰，三艘巡洋舰，四艘驱逐舰以及由这些战舰护卫着的“飞龙”号航空母舰。
这一消息通过无线电传到“企业”号航空母舰之后，斯普鲁恩斯将军便集结起所有还能作战的飞机。二十四架“无畏”式俯冲轰炸机轰鸣着飞离“企业”号的甲板，向“飞龙”号奔袭而去。
下午五时，日军舰队了望哨惊呼：“敌人俯冲轰炸机！”在已成惊弓之鸟的“飞龙”号上，水兵们看见在西南方，从夕阳映照的天际，窜出一长串飞机，宛如一条长蛇。这可怕的情景，使他们个个胆颤心惊。
“飞龙”号航母正在急速转弯，躲避美军飞机攻击
六架“零”式战斗机猛扑过去进行阻击，击落了两架美国飞机。但是其余的美国飞机继续俯冲了下来。它们从耀眼的太阳方向钻出，呼啸着向日本航空母舰冲去。炸弹就落在舰旁，激起一柱柱水浪。最后，接连投下的四枚四百五十公斤重磅炸弹，穿透飞行甲板，相继轰然爆炸。
正当“飞龙”号上的水兵疯狂地同满船烈火搏斗的时候，由中途岛飞来的Ｂ－１７“空中堡垒”轰炸机，又出现在高高的天空。它们扔下的重磅炸弹，激起越来越多的水柱。接着，又有更多的“空中堡垒”，从遥远的夏威夷飞来助战。“苍龙”号从头到尾，都淹没在火海里。中途岛西北的海面，成了燃烧的坟场。“苍龙”号倾斜了。
晚上七时十五分，这艘航空母舰的幸存者站在附近的驱逐舰上，痛苦地注视着“苍龙”号的最后沉没。当海水淹没舰上的火焰时，发出了强烈的嘶嘶声。与“苍龙”号一起下沉的，有七百一十八名已死或被困在舰内的日本官兵，包括那位把自己绑在舰桥上而拒不离开的舰长柳本大佐。
“飞龙”和“赤城”两舰上的大火仍在猛烈地燃烧，无法控制。经过整夜的燃烧，6月5日黎明前，“赤城”号的舰长请求山本大将允许把该舰沉掉。山本大将热泪盈眶。多年前，他曾在“赤城”号上当过舰长。他无可奈何地表示：“那就让驱逐舰向‘赤城’发射鱼雷吧。”有二百二十一名日本官兵随该舰沉没。 炸弹命中后的“飞龙”号，前甲板被炸开了，已经失去动力
6月4日二十一时二十三分，海水大量涌入，“飞龙”号倾斜十五度，随后完全失速。“飞龙”的舰长山口多闻将军，决定让驱逐舰“凤云”号将“飞龙”炸沉。六月五日凌二时三十分，山口把舰上人员召到甲板上，对着他的八百名官兵说，“飞龙”、“苍龙”两艘航空母舰的沉没，由他一人负责。“我决心与舰共存亡。我命令你们全体离舰，继续为天皇效忠。”
“飞龙”号下沉前，水兵们纷纷弃舰逃生
山本大将的航空母舰遭到灭顶之灾的时候，他正率领主力舰队，在南云舰队后面四百五十海里的洋面上破浪前进。6月4日上午十时三十分，“‘赤城’号着火”的电报猛然打破了山本的美梦。这位日本联合舰队总司令一言不发。对二十分钟后送来的第二封电报，他也同样保持沉默。这封电报是南云中将打来的，说：“由于遭到中途岛基地和敌人航空母舰飞机的袭击，‘加贺’、‘苍龙’和‘赤城’三舰全身起火。我们正向北撤退，并重新组织力量。”这份电报暗示，幸免于难的“飞龙”号将进行反击。
他的四艘航空母舰全部毁灭，而美国人还有两艘航空母舰，正在伺机进攻他的舰队。中途岛还远未被征服。面对这种情况，山本作为一个极为精明的海战行家，心里很清楚，他的战列舰一旦遇到俯冲轰炸机和鱼雷机的进攻，连招架的能力都没有。珍珠港事件和英国“威尔士亲王”号战列舰在马来亚洋面的覆灭，都证实了这一点。日本飞机怎样击沉敌人的战列舰，美国飞机也就能怎样回敬日本的战列舰。
山本一度打算从阿留申群岛调回两艘小型航空母舰来中途岛。但是浓雾在阿留申群岛周围滞留不散。那些战舰要赶到中途岛，至少要花三天时间。到那时，要挽回这场日本帝国海军的灾难，已为时太晚。
6月5日凌晨二时五十五分，日本联合舰队司令山本大将终于痛苦地下令：“取消中途岛的占领行动。”他也需要一些谎言。他电告舰队所有指挥官：“敌人舰队几乎已遭全军覆没，正在向东败退……”这个弥天大谎，突出地显示了他不敢公开承认失败的苦衷。他的将军们问山本：“我们一败至此，该如何向天皇陛下请罪呢？”山本铁青着脸，说：“要向天皇陛下请罪的只有我山本一个人。”
历史上规模空前的海空大战，到此宣告结束。
美国方面损失了一艘航空母舰，一艘驱逐舰，三百零七名官兵和一百四十七架飞机。
日本方面付出了惨重的代价：四艘航空母舰和一艘巡洋舰被炸沉。一百八十架飞机随同航空母舰沉入大海；另有五十四架飞机被击落；大约二千五百名官兵，包括几百名经验丰富，身经百战的飞行和机务人员葬身大海。联合舰队从此一厥不振，再也无力发动大规模的海空作战。从珍珠港事件后日本人一直拥有的太平洋战区的战略主动权，也就拱手交出了。
对日本海军来说，更严重的，是他们妄自尊大的自信遭到了无情的打击。中途岛战役之后，直到第二次大战结束，这一打击使他们再也无法对战局作出正确的判断。
