进攻中途岛是日本联合舰队司令山本五十六的主张，曾经担任过日本驻美国使馆武官的他，非常清楚美国的工业制造能力。他希望夺取中途岛，进而夺取美军太平洋舰队基地，趁美国太平洋海军还没有恢复元气，尽快将其歼灭。只有这样，日本才有机会能够和美国坐下来谈判，迫使美国承认日本在西太平洋的地位。
中途岛位于太平洋中部，西距东京2250海里，东南距珍珠港1135海里，由东岛和沙岛两个环礁组成。沙岛面积稍大，东西长约3000米，南北宽约2500米，地势平坦，北部有一个港口。东岛约为沙岛的一半大小，呈三角形。
中途岛面积虽不大，却颇受美日双方的重视。岛上的美军飞机可以警戒半径为600海里的区域，港口可用作美军航空母舰编队机动作战的补给和前进基地。鉴于其攻防两用的特点，中途岛成了美国在中部太平洋理想的战略前沿阵地。
对日寇来说，占领了中途岛，就可以把中部太平洋的防御圈大大向东推进，并可利用岛上的海空基地，有效地监视和警戒夏威夷群岛的美国太平洋舰队的行动。另一方面，日寇占领中途岛，还可以在美国中部太平洋防御圈上打开一个缺口，威胁夏威夷群岛，并以此作为日后攻占夏威夷的跳板。
阿留申群岛位于日本千岛群岛的东北方，一系列小岛由西向东直抵美国阿拉斯加半岛。阿留申群岛东部的乌纳拉斯卡岛的荷兰港，是美国在北太平洋的重要海空军基地。西部的阿图岛可以设置水上航空基地，附近小岛可以建立大型岸基飞机场。
阿图岛东面的基斯卡岛有适于建立潜艇基地和水上航空基地的港湾。基斯卡岛东面的阿达克岛海湾可容纳大型舰队，日寇判断，美军将在这些岛屿上兴建一系列海空军基地，从而危及日本本土。因此，日寇准备在进攻中途岛的同时，攻占阿图岛、基斯卡岛和阿达克岛，一方面牵制美军的中途岛作战兵力，另一方面建立北太平洋警戒基地。
同偷袭珍珠港时一样，日本海军作战部听到山本五十六的新计划仍然大吃一惊，这个计划太过大胆，战争还不到半年就已经打到美国太平洋海军的大门口是他们没有想到的。这一次山本五十六仍然以辞职为要挟，逼迫统帅部同意他的方案。这也是反对他的人最忌惮的，因为自从联合舰队成功偷袭了珍珠港，山本五十六已经成为日本仅次于天皇的偶像，如果他辞职，这些人无疑会背上骂名。
1942年4月20日，日寇大本营召开陆海军联席会议，授权联合舰队全力以赴夺取中途岛和阿留申群岛西部。随后，联合舰队制定出作战计划，并于4月底获得批准。该计划主要包括：“攻占中途岛，封堵美军舰队自该方面的机动，并推进我方的作战基地……海军在以有力部队支援和掩护攻占中途岛的同时，捕捉歼灭前来反击的敌舰队……陆海军协同攻占并破坏阿留申群岛西部要地，增加敌人自该地机动及空中进攻的困难。”
5月5日，奉日本天皇敕令，海军发布第18号作战指令：“帝国联合舰队司令长官山本五十六将军与陆军协同占领中途岛和阿留申群岛西部战略要地。此令。”
同时，为牵制美军兵力，诱使美军分兵，还规定对阿留申群岛的攻击应先于中途岛方向。
相比于日本联合舰队，美军太平洋舰队的实力要弱得多。尼米兹手里能够调动的航母只有哈尔西指挥的第16特混舰队所辖的“企业”号和“大黄蜂”号航母，弗莱切的第17特混舰队所辖“约克诚”号航母在5月份的珊瑚海海战中遭受重创，正在返回珍珠港维修。“列克星敦”号航母则在珊瑚海海战沉没，而“萨拉托加”号航母刚刚在美国西海岸完成维修，无法及时赶回珍珠港。
不过，尼米兹手中有一个王牌，就是由莱顿和罗切斯特领导的太平洋舰队情报小组。起初这个小组的工作并没有得到尼米兹的重视，但在1942年4月，罗切斯特向他提供了一组情报：“日寇已完成印度洋作战任务，正在向国内集结；日寇没有进攻澳大利亚的打算；新几内亚东部将面临新的攻势；日海军将在太平洋地区发动更大的攻势，并会调动联合舰队大部分兵力。”
这份情报虽然缺少细节，但基本上勾勒出日寇的下一步动向。尼米兹对这份情报是将信将疑的，他内心的真实想法是既然情报工作如此出色，为什么在日寇偷袭珍珠港前没有任何发现？为了谨慎起见，尼米兹还是将第17特混舰队派往新几内亚的珊瑚海海域，以防备日寇真的在那里进攻。事实证明，罗切斯特的情报是准确的，日寇果然在5月初发动了对新几内亚东部莫尔兹比港的攻击，由于美军提前有所准备，日寇的进攻企图没有实现。
珊瑚海战后，情报小组更加夜以继日地工作，他们基本上判断出日寇下一个进攻的目标在太平洋中部，但是具体是哪里还不清楚。美国总统罗斯福担心日本下一个进攻的目标可能是北部的阿拉斯加，甚至是美国西海岸；海军部长欧内斯特金认为是夏威夷；马歇尔认为是旧金山。尼米兹认为：日寇的目标可能有三个，即阿留申群岛、珍珠港和中途岛，而这三处无论日寇选择哪一处都绕不开中途岛。
他的分析需要得到证实，此时情报小组的工作有了进一步进展，在日本海军军令部与联合舰队的一系列密电中，经常出现两个最常出现、最引人注意的字母“AF”，这个代号有时作为一个目标，有时作为舰队集结的地点。而这个代号在几个月前情报小组侦听到的一份电文中也出现过，当时一架日寇水上飞机在中途岛附近的一个小岛得到了潜艇上的燃料补给，那份电文提到的加油地点就在AF附近，所以罗切斯特判断“AF”指的就是中途岛！
为了进一步证实自己的判断，罗切斯特跟莱顿商议，能否让中途岛基地拍发一份明码诱饵电报，电文内中表示中途岛淡水蒸馏设备发生故障，饮水告急，以此来试探日本方面的反应，此事经过尼米兹的同意后立即付诸实施。第二天，罗切斯特的小组果然监听到日寇的密电中出现“AF缺乏淡水……必须向AF登陆部队提供淡水”等内容。至此，美军终于确定了日寇的下一步进攻目标。
5月初，尼米兹亲临中途岛，检查了岛上的所有布防，并通知岛上驻军做好一切准备，随即向这里增派了作战飞机和部队，至开战前岛上驻有3000多名官兵和115架作战飞机。5月8日，珊瑚海海战结束，尼米兹命令弗莱切的第17特混舰队和哈尔西的第16特混舰队立即返回珍珠港（第16特混舰队因执行“轰炸东京”任务，没有来得及参加珊瑚海战役，但他们完成任务返回珍珠港后，也被尼米兹派往珊瑚海海域）。
5月17日，美军第8特混舰队和陆军第11航空队派往阿留申群岛。
5月25日，参加中途岛战役的指挥官齐聚太平洋舰队司令部，在尼米兹一再逼问下，莱顿将自己还不敢确定的情报提供给与会的高级将领：“联合舰队将于6月3日进攻阿留申群岛，6月4日进攻中途岛，当天早晨6时、在中途岛西北325度方位、175海里处会发现日寇舰队。”莱顿的情报经事后验证，与美军实际发现日寇的时间差5分钟、方位差5度、距离差5海里，这在浩瀚的太平洋上已经算不上是误差。
5月27日，美军舰队在珍珠港完成集结。原计划尼米兹想要第17特混舰队司令哈尔西担任这次海上作战的最高指挥官，但此时哈尔西正患有严重的皮肤病。在医生的一再坚持下，不得不住院治疗，他随后向尼米兹推荐了斯普鲁恩斯。而尼米兹出于谨慎起见，将两个舰队统一指挥权力交给刚刚在珊瑚海战表现出色的第17特混舰队指挥官弗莱切。当天，尼米兹再次召开作战会议，最终决定：“由于敌我力量悬殊，美国航空母舰部队应避免在中途岛以西正面与日寇交锋，而采取侧翼伏击战术，突然袭击日寇航空母舰部队。”
为此，要求第16、第17两支航空母舰特遣舰队于5 月28日和30日先后驶离珍珠港，于6月2日秘密驶抵北纬32 度、西经173度的中途岛东北约325海里处会合，“隐蔽待机，准备突袭预计在中途岛西北面出现的日寇航空母舰部队……运用强大的消耗战术最大限度地摧毁敌人。”
同时，尼米兹给航空母舰舰队司令的特别训令∶“在执行规定的任务时……你们必须遵循不轻易冒险的原则，若无把握使优势之敌遭受较之我方更大的伤亡，则须避免暴露自己，免受其打击。”
5月28日，斯普鲁恩斯率领第16特混舰队出发，他的舰队共有2艘航母（“企业”号、“大黄蜂”号）、5艘重巡洋舰、1艘轻巡洋舰、9艘驱逐舰和一支油船补给队。5月30日，经过3天不间断抢修，“约克诚”号航母跟随第17特混舰队离港，驶向中途岛。弗莱切的舰队除“约克诚”号航母外，还包括2艘重巡洋舰和5艘驱逐舰。6月2日，第16、第17特混舰队在中途岛以东海域会合。
日本海军将进攻中途岛的日期预定为6月5日（实际战斗主要集中在6月4日），所以各部队必须在5月下旬从各基地出发。为了达成作战目标，山本五十六调动了的联合舰队所有舰船倾巢出动，并编成6个战术编队。
先遣部队由第6舰队司令小松辉久中将指挥，下辖1艘轻巡洋舰、15艘潜艇。任务是先行侦察中途岛的美军情况和天气状况，并在开战前，前出至中途岛和夏威夷之间组成潜艇警戒线，以攻击支援中途岛的美国舰队。
第1机动部队由第1航母舰队司令南云忠一指挥，辖4艘重型航母（“赤城”号、“加贺”号、“飞龙”号、“苍龙”号）、2艘战列舰、2艘重巡洋舰、1艘轻巡洋舰、12艘驱逐舰及舰载飞机261架。任务是在登陆作战之前空袭中途岛的美军机场及各种设施，消灭岛上的美军航空兵，支援并掩护登陆作战，同时歼灭可能来犯的美军太平洋舰队。
攻占中途岛部队由第2舰队司令近藤信竹指挥，辖轻型航母1艘、战列舰2艘、重巡洋舰8艘、轻巡洋舰2艘、驱逐舰21艘、水上飞机母舰2艘、运输舰15艘及若干扫雷舰、猎潜舰，各类舰载飞机56架，运输舰上载有登岛部队5800人。任务是在第1机动部队消灭中途岛的美军航空兵后，输送并掩护登陆部队占领中途岛，同时准备在中途岛附近海面截击美军舰队。
北方部队由第5舰队司令细萱戍子郎指挥，分为北方部队主力、第2机动部队、阿图岛攻占部队、基斯卡岛攻占部队和潜艇部队5个支队。辖2艘航母、3艘重巡洋舰、1艘辅助巡洋舰、12艘驱逐舰以及扫雷艇、运输舰若干艘，舰载飞机82架，搭载登陆兵2450人。任务是空袭荷兰港美国海军基地，破坏阿达克岛美军军事设施，攻占阿图岛和基斯卡岛，准备迎击美军舰队。
岸基航空部队由第11航空舰队司令冢原二四三指挥，下辖轻巡洋舰1艘、驱逐舰3艘、运输舰19艘以及陆基飞机214架，其中36架零式战斗机由第1机动部队携带。任务是占领中途岛后立即以岛上机场为基础，实施空中作战。侦察珍珠港方面美军舰队的情况，在各部队实施中途岛作战期间，尽可能以太平洋各岛屿为基地，广泛进行空中侦察和警戒。
主力舰队由山本五十六亲自指挥，下辖轻型航母1艘、战列舰7艘、轻巡洋舰3艘、驱逐舰21艘、水上飞机母舰2艘以及各类舰载飞机35架。任务是掌握中途岛作战全局，间接支援北方的作战，重点支援中途岛作战，同时攻击美军舰队。
此次作战，日寇攻击出动水面舰艇206艘、舰载飞机470架，岸基飞机214架，登陆部队及基地设置部队1.68万人
5月中旬，作战准备工作完成，各舰队开始集结。
5月18日，山本五十六在其旗舰发布作战训令。
5月26日，南云忠一率领的第1机动部队从柱岛基地出发，驶向中途岛西北海面；28日，山本五十六率领的主力部队离开柱岛基地，在第1机动部队身后400海里跟进。这支实力明显优于美军的舰队，此时还不掌握美军航母舰队的动向，相反，美军已经大体清楚日寇的兵力和行动计划。
按照日寇的计划，两架侦察机将于马绍尔群岛的沃特杰起飞，然后飞往中途岛和夏威夷之间的弗伦奇－弗里格特沙洲，在那里会有等候他们的一艘潜艇为他们加油，然后飞往瓦胡岛执行侦察任务。但是日寇潜艇抵达沙洲附近时，发现那里有2艘美军船只，由此日寇不得不放弃这次侦察任务。
另一个担任侦察任务的是日寇的先遣舰队的潜艇，他们计划于6月2日到达中途岛和珍珠港之间的海域，布置警戒线并侦察美军的动向，但这些潜艇在3日才到达指定位置，此时美军的两个特混舰队已经穿过这片海域，到达了中途岛附近。所以，直到开战前，日寇仍然不清楚美军航母舰队是否在中途岛，更不知道他们的具体位置。
战斗首先在北面的阿留申群岛打响。
6月3日2时左右，攻击阿留申群岛的北方部队第2机动部队避开美军潜艇、巡逻艇和飞机的侦察与警戒，抵达荷兰港西南约180海里处，48架舰载战斗机和轰炸机起飞前去实施第一次空袭。由于气候恶劣和美军战斗机的拦截，空袭收效不大，仅摧毁油罐场、无线电站等地面设施，但发现了5艘美军驱逐舰。
8时45分，日寇再次出动飞机45架，实施第二次空袭。又因乌云遮盖，能见度不佳等原因，仅有2架飞机到达目标区域上空。在美军战斗机拦截下，这两架飞机一毁一伤，第二次空袭失败。
第2机动部队原计划3日以空袭压制荷兰港的美海空力量之后，即转向攻击阿达克岛、阿图岛和基斯卡岛，支援该地登陆作战。但由于空袭目的未能达到，第2机动部队决定4日再度空袭荷兰港。其间，美国太平洋舰队曾明确要求仅以飞机和潜艇进行反击，因此，美军的水面舰队主力始终停在后方的科迪亚克岛待机，飞机则频频攻击日寇舰队。因气候不良，云层太低，未取得战果，美军损失9架飞机。
4日午后，第2机动部队的突击机群刚离舰，便接到联合舰队的命令∶迅速南下支援中途岛方面作战。第2机动部队回收飞机后，于18时26分转向南下，前去与第1机动部队会合。
在中途岛方向，最先被发现的是日寇攻占中途岛部队，这支以驱逐舰为主要护航力量、以15艘运输舰为主体的舰队，搭载着攻占中途岛的5800多名日本陆军部队。
按照山本五十六的要求，这支舰队行驶在第1机动部队的前面，这是一个反常规的安排，因为运输舰的速度偏慢，在行驶过程中容易被敌方发现，所以通常会跟在战斗舰队的后面。山本五十六的想法是：如果南云忠一的第1机动部队进展顺利的话，那攻占中途岛的部队要晚于第1机动部队2天抵达中途岛，这样不利于日寇的整体作战，所以他这次冒险将运输舰放在前面，这样他们可以在第1机动部队完成对中途岛的空袭后立即登陆中途岛。
中途岛美军岸基侦察机于6月3日8时在中途岛以西600海里处，发现了近藤信竹指挥的攻岛部队，随后岛上出动9架B-17轰炸机各携带4枚重磅炸弹，向西对日寇发动攻击。当美轰炸机抵近近藤信竹的舰队后，担任护航任务的日寇驱逐舰立即对空射击，组成了一道严密的火网。轰炸机不得不慌忙地在1万米高空投下了炸弹，对日舰造成的损失仅仅是落入水中的炸弹，将海水溅湿了日寇的军服。
当晚，中途岛美军决定出动鱼雷机，趁夜色继续攻击日寇舰队，23时50分，4架鱼雷攻击机在中途岛以西400海里处再次发现了目标，在30米高度美军投放了鱼雷，随后听到一声巨大的爆炸声。据事后得知，被击中的是日寇“曙光”号油轮，鱼雷将船舷一侧炸开了直径10米的大洞，随后引发了弹药库爆炸，造成舰上23人死伤，但油船没有倾覆，而是继续跟随舰队向中途岛驶去。
攻击中途岛部队遇袭并没有让山本五十六慌乱，在他的预期中，运输船队走在舰队的前面，的确需要承担一定的风险，但只要挺过6月3日，等到4日南云忠一的部队抵近中途岛，他们的威胁也就不存在了。
6月3日夜，第1机动部队已经进入临战状态。19时40分，“利根号”重巡洋舰拉响警报，声称发现大约10架美军飞机。3架战斗机随即起飞迎敌，但他们并没有发现美军飞机，显然这是一次误报。
4日凌晨，南云忠一派出去的侦察机始终没有搜寻到美军的航母舰队，所以他和他的参谋们判断：“美军在中途岛附近没有航母舰队；我方尚在敌方侦察机活动半径之外，所以美军不会危及我们的安全；我方应适时发动对中途岛的攻击，得手后再转过头来迎击美军增援的舰队。”基于以上错误的判断，南云忠一下达命令4时30分攻击机群起飞轰炸中途岛。此时他们已经前出至中途岛以西240海里处。
4时45分，36架轰炸机、36架俯冲轰炸机和36架战斗机从航母上起飞，担任第一波次攻击任务。5时，担任第二波次攻击任务的飞机已经停满了甲板，每架俯冲轰炸机都携带了1枚250公斤的炸弹，每架水平轰炸机都携带了一枚鱼雷，飞机数量与第一波次相同，也是轰炸机、俯冲轰炸机和战斗机各36架。
按照南云忠一的设想，第一波次对中途岛的攻击可以有效地摧毁美军的守岛兵力，特别是机场上的飞机，第二波次攻击编队是用来对付可能出现的美军海上舰队。为此，他又一次派出5架侦察机，继续搜索中途岛周围海域。这一次，幸运之神再一次降临在美军身上，由于技术故障，侦察飞机推迟了半个小时出发，如果按照正常时间起飞，他们会在计划飞行路线上发现美军的特混舰队，美军因此逃过了一劫。
6月4日3时，弗莱切派出10架侦察机向西进行扇形搜索。5时34分，第17特混舰队的侦察机发现了日寇第1机动部队的2艘航母，而且幸运的是日寇并没有发现这架侦察机，否则他们会由此判断出这架海上侦察机肯定不是中途岛起飞的飞机，而且还会通过侦察机飞来的方向判断出美军舰队的方向。
不久，另一架侦察机发现了攻击中途岛的日寇飞机编队。此时，中途岛的机场上一片繁忙，首先起飞的是侦察机，他们离开机场飞向东面安全的空域躲避攻击，接着是6架鱼雷攻击机、4架B-26双引擎轰炸机，他们作为第一波次攻击日寇第1机动部队；随后第二波次的16架俯冲轰炸机和14架B-17空中堡垒轰炸机起飞；27架老旧的“夜猫”和“水牛”战斗机最后起飞，迎击日寇攻击编队。
战斗在两个地域（中途岛上空和南云忠一舰队上空）先后展开！
在中途岛上空，日寇的“零式”战斗机展示了它性能的优越性，美军的旧式战斗机完全不是日本战斗机的对手，不到半个小时，美军战斗机就损失了一半。扫清了岛上领空后，日寇的轰炸机开始对岛内目标实施轰炸。36架水平轰炸机在3500米高空轰炸了中途岛机场跑道、机库和其他地面设施；36架俯冲轰炸机穿过美军高射炮火力网，从超低空投下了携带的全部炸弹。岛上机场2号跑道遭到严重破坏，一枚炸弹命中机库，引爆了里面的一些炸药，将整个机库炸飞，一枚炸弹炸毁发电站，致使岛上供电和蒸馏水厂陷入瘫痪，这次是真的瘫痪。
6时43分，日寇第一波次攻击结束，由于美军事先有所准备，受损情况并不严重，约有20人阵亡，跑道并没有被全毁，地面其他设施经过几天的抢修就可以完全修复，战斗机损失较为严重，共有15架飞机被击落，另有7架受伤。
7时5分，从中途岛起飞的美军第一波次10架轰炸机飞临南云中一舰队上空，6架鱼雷攻击机贴着水面飞向日寇舰队，日寇舰船防空火力立即向美军开火，10架零式战斗机随即升空。在零式战斗机面前，美军的鱼雷攻击机成了活靶子，很快就被冲乱了队形，只有其中一架鱼雷机在慌乱中发射了一枚鱼雷，但并没有击中日舰，这架被击伤的鱼雷机随后返回中途岛机场，它和机上2名受重伤的机组人员是美军6架鱼雷攻击机唯一返回基地的幸存者。
与此同时，4架轰炸机从侧面向舰队中央的“赤城”号航母发动攻击，6架零式战斗机拦住了他们的攻击路线，在700多米高空，美军轰炸机投下4枚鱼雷，但都没有命中，而自身已经被击落2架飞机，剩余的2架轰炸机返回中途岛。至此，美军第一波次进攻结束，没有造成日舰任何损失。
而美军第一波次的进攻却起到了另一个间接的作用，由于日寇第一波次攻击中途岛的效果不理想，日寇旗舰“赤城”号上开始对下一步行动发生分歧，有人认为应该对中途岛发动第二波进攻，停在甲板上的飞机应该换上攻击地面目标的炸弹，而不是闲置在那里等待始终没有发现的美军舰队。正在南云忠一犹豫不决时，美军的第一波次攻击开始，南云认为的确有必要对中途岛再实施一次空袭，以彻底摧毁那里的空中防御力量。随后，他命令甲板上的飞机换下鱼雷，换上炸弹。于是，地勤人员一顿忙碌，一个小时后，完成第二次攻击的地面准备，此时是8时40分。
在甲板上地勤人员紧张忙碌期间，美军中途岛起飞的第二波次攻击编队飞临第1机动部队上空，14架“空中堡垒”轰炸机在6000多米高空投下炸弹，然后扬长而去，他们报告4枚重磅炸弹击中了日寇2艘航母，而实际上日寇舰安然无恙。随后不久16架俯冲轰炸机也对第1机动部队实施了打击，但在日寇战斗机和防空火力的阻击下，损失8架飞机，也没有达成任何战果。
尽管如此，和第一波次攻击一样，第二波次攻击仍然起到了间接效果，由于舰队被连续攻击，第1机动部队的战斗机频繁起降，加上为了躲避美军飞机的攻击，南云忠一的舰队的阵型已经散乱，需要时间收拢阵型，再继续攻击中途岛。
此时他们收到了一个意想不到的消息。此前因设备故障推迟出发的侦察机，返航的途中在中途岛东北200多海里处发现了美军的特混舰队，这个消息让“赤城”号上的南云忠一和他的参谋们大吃一惊。权衡再三，南云忠一决定取消对中途岛的进攻，刚刚升到甲板上的轰炸机卸下炸弹，再换回鱼雷，准备随时可以进攻美军舰队，同时清理出甲板，让即将返回的轰炸中途岛的飞机降落。此外，等飞机全部返回后，舰队向北移动，等重新集结完毕，再向美军进攻。
随后，日寇飞机开始陆续降落，地勤人员也开始换下炸弹，重新更换成鱼雷，新的攻击编队包括54架鱼雷机和36架俯冲轰炸机，由于舰队同样需要保护，分配给轰炸编队的战斗机只有12架。
9时18分，地勤人员完成工作，这个过程中，他们犯下了致命错误，由于时间来紧迫，更换下来的炸弹没有来得及送到下面的弹药库，全部堆积在机库旁边，这些炸弹最终葬送了南云忠一的第1机动部队。
我们再将时间拨回到早晨6时，了解一下美军航母舰队在过去几个小时做些什么。
弗莱切的第17特混舰队派出的侦察机发现了日寇第1机动部队，此时美军的两支特混舰队在中途岛东北240海里处，弗莱切立即命令斯普鲁恩斯的第16特混舰队向西南急进，在查明日舰准确位置后予以攻击。第17特混舰队则等待回收派出去的10架侦察机，然后追赶斯普鲁恩斯。
7时30分，斯普鲁恩斯推算他和南云忠一的舰队相距150海里，如果此时出动飞机，刚好能够赶上攻击中途岛的日寇飞机返回航母加油装弹，这是一个绝好的攻击时机。随后，“企业号”和“大黄蜂号”上的35架轰炸机、33架俯冲轰炸机、29架鱼雷机和20架战斗机编成4个机群飞向预定目标。
第17特混舰队不等与第16特混舰队会合，在回收全部侦察机后，立即派出17架轰炸机、12架鱼雷机和6架战斗机组成第5个机群，向日寇第1机动部队位置飞去。在“约克诚”号航母上，弗莱切特意保留了一半的作战飞机，以应对意外情况。
9时20分，第16特混舰队的第一波次攻击编队14架鱼雷机抵达第1舰队上空，随同他们一同前来的35架轰炸机在途中失去了联系，此时日寇地勤人员刚刚完成地面工作。
两条时间线到这里汇集。
这一次攻击，美军的鱼雷机并没有战斗机护航，一同前来的战斗机因为耗尽燃料，全部迫降在海上。而此时日寇的战斗机正在空中护航，在没有战斗机掩护的情况下，美军的鱼雷机全部被击落。随后从“企业号”和“大黄蜂号”起飞的鱼雷机，以及从“约克诚”号航母起飞的鱼雷机、战斗机，陆续发动了第二波次和第三波次攻击，均被日寇战斗机和舰船防空炮火击退。至此，美军特混舰队舰载机出动的41架鱼雷机，连续发动三次攻击，共发射鱼雷13枚，无一命中日舰，自身损失38架鱼雷机。
10时10分，来自“企业号”的33架俯冲轰炸机和“约克诚”号的17架俯冲轰炸机飞抵第1机动部队上空，幸运的是，此时日寇战斗机大部分因为燃料耗尽返回了航母，剩下的战斗机飞离舰队上空追击美军其余飞机。于是，幸运之神赋予了最后攻击日舰的美军编队，他们发动了决定战场胜负的攻击。
10时24分，“企业号”的25架美军轰炸机围攻“加贺”号航母，4枚炸弹命中；10时26分，“企业”号5架轰炸机攻击“赤城”号航母，2枚炸弹命中；“约克诚”号17架轰炸机围攻“苍龙”号航母，3枚炸弹命中。3艘日寇航母中弹后，引爆了机库旁的炸弹，相继沉没。
此时，第1机动部队只剩下山口多闻指挥的第2航空舰队所辖的“飞龙”号航母。在发现美军舰队后，山口多闻就建议立即攻击美军舰队，但南云忠一没有同意，山口多闻感到危险将至，遂命令“飞龙”号与舰队拉开一段距离，也因此在美军攻击时，唯独漏掉了“飞龙”号。南云忠一将空中作战的指挥权交给山口多闻，后者于10时58分派出18架轰炸机和6架战斗机向美军舰队反击。
12时，日寇飞机飞抵“约克诚”号上空。此时弗莱切的舰队已经通过雷达获悉了日机来袭，随后15架战斗升空，舰队以V形编队防御。同时弗莱切向第16特混舰队发出求援信号，斯普鲁恩斯立即派遣担任本舰队空中护航的6架战斗机增援弗莱切。由于美军战斗机太多，日寇的6架战斗机无法缠住全部美军战斗机，日寇的轰炸机很快就损失了12架。剩下的6架轰炸机完全散开，各自为战，这样就加大了战斗机的支援难度。随后，“约克”诚号连续被3枚炸弹击中，舰上抢险队立即对该舰抢修，很快扑灭了舰上的大火，2个小时后，“约克诚”号恢复了航速，继续投入作战。在此期间，弗莱切将帅旗迁至“阿斯托利亚”号巡洋舰。
日机返回“飞龙号”后，已经是下午13时30分，此时日寇才搞清楚美军一共有3艘航空母舰。山口多闻决定，动用“飞龙号”上所有的飞机，对美军舰队发动第二次攻击，随后10架鱼雷机和6架战斗机起飞。一个小时后，日寇飞机发现美军航母，虽然战斗机数量仍处于劣势，但这次日寇战斗机成功缠住了美军战斗机，鱼雷机随即发射的鱼雷有2枚命中目标。日寇至此认为击沉了美军2艘航母，而实际上被2枚鱼雷击中的仍然是“约克诚”号，该舰于次日沉没。
重创日寇3艘航空母舰的美军也在急于寻找日寇的第4艘航空母舰。14 时30分，美军搜索飞机发现了“飞龙”号。15时30分和16时3分，斯普鲁恩斯集中40架轰炸机分两批起飞攻击日舰。16时45分左右，第一批轰炸机背对夕阳接近月标，8分钟后开始攻击，4枚炸弹命中目标，“飞龙”号燃起大火，该舰于6月5日12时被日寇发射鱼雷自沉。美军第二批轰炸机转向对日寇战列舰、巡洋舰的攻击，未果，美军损失轰炸机5架。
至此，美军击毁了日寇第1机动部队的全部航空母舰（4艘）和舰载飞机，取得海上伏击战的决定性胜利，迫使日寇放弃对中途岛的进攻。此后，美军为避免与日寇夜战，在回收飞机后，于19 时零7分向东方规避。战斗力大减的日寇第1机动部队担心美军追击，向西北方撤退。
5日清晨，北方部队指挥官细萱戍子郎获悉，由于作战受挫，联合舰队主力已经开始从中途岛撤退。山本五十六命令北方部队继续攻占该群岛西部，阻止美军航空力量南进。7日1时27分和21时15分，日本海军陆战队和陆军北海支队分别占领了基斯卡岛和阿图岛，登陆未遇抵抗，俘虏两岛美军非战斗人员几十名。因新发现的沃特角美军机场离阿达克岛仅有350海里，细萱戍子郎决定不在阿达克岛登陆。6月19日，北方部队除阿图岛和基斯卡岛留守部队外，全部返回。
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