由于担心弗莱彻和斯普鲁恩斯可能收到里德发回中途岛的消息，尼米兹将军向他们重复了这个情况，并且警告：“那不是，重复一遍，不是敌人的打击力量。”那天晚上，第十六、十七特遣舰队驶出“幸运角”，航行到了中途岛北面200英里的一个地方。
在此期间，南云将军从西北方向加速驶向中途岛，除了他的侦察机提供的情况，没有别的情报来源。尽管从塞班岛出发的运输船侦察到的消息发送给了山本五十六，他并没有告诉南云将军，避免美军的无线电监测站发现自己的位置。
南云将军也没有意识到，他派出在夏威夷和中途岛之间侦查的潜艇出发的时间太晚了；应该感谢日军预先布置的计划，第十六、十七特遣舰队已经逃出了敌人的攻击范围。
6月4日天亮的时候，第一轮攻击舰队的待命室里，南云将军的飞行员们享用完了一份干栗子和日本冷米酒，这是战士即将进入战场前传统的食物。甲板上，南云有一半的飞机停在了起飞甲板的黄线上，准备展开行动。在下面，另一半飞机正在装备攻击美国轮船的鱼雷，以随时预防敌人的反击。
地平线上亮起第一道曙光的时候，航空母舰上的表演开始了。铃声大作。“赤城”转向迎风的一面。牛角号奏响了，“飞行员，出发。”108架飞机轰鸣着从海洋上空飞过。一架接着一架，飞机倾斜着向前方飞去，隆隆地进入了正在变亮的天空，接着加速飞走了。
早上5时34分，霍华德·艾迪上尉，驾驶着一架远程轰炸机，离开中途岛飞行了大约一个小时，侦察到了日军的航空母舰，并报告了正在向中途岛进发的日军飞机。5时53分，岛上的雷达系统侦察到了93英里之外的日军飞机。20分钟内，中途岛上的全部飞机都升入了空中。轰炸机开始飞向日军的航空母舰。那儿不少于4艘航空母舰：“赤城”号、“飞龙”号、“加贺”号和“苍龙”号。
同时，在中途岛上空盘旋飞行的，是4架“野猫”战斗机和20架“美洲野牛”战斗机，它们从上面进攻飞来的日军轰炸机，击落了3架。但是当这些战斗机降低高度的时候，更敏捷的“零”式战斗机突然袭击过来。在25分钟内，有17架中途岛的战斗机被击落，另外7架被迫退出了战斗。
南云的战斗机--108架俯冲式轰炸机、鱼雷轰炸机和“零”式战斗机像台风一样席卷到中途岛上空。中途岛的防空炮火开火了，一些日本轰炸机爆炸变成了一片火海。但是炸弹仍然雨点般的密集落下来。岛上的3000名守军，有24人被炸死，18人受伤；水上飞机棚和一个废油处理站发生了爆炸；弹药库、诊疗所和淡水加工厂被摧毁。但是，当最后一架“零”式轰炸机发射完了它的炮火、消失在海面上以后，中途岛上的飞机跑道和防空炮火仍然可以使用。飞行指挥官友永用无线电向南云报告说：“需要进行第二次打击。”
南云自己也已经做出了那个结论。在大约两个小时里，他的舰队经受住了中途岛上的轰炸机5次轮番的进攻。战船上防空炮火发射出猛烈的反击，再配合上“零”式战斗机的致命的攻击，沉重地打击了美军的轰炸。10架美国的鱼雷轰炸机中的7架，加上8架俯冲式轰炸机被击落；没有一艘战船被击毁。
但是南云并没有轻松。大部分敌人的轰炸机都毫发无损地逃脱了。如果要占领中途岛就必须消灭它们。他命令原来准备对付敌人战船的鱼雷战斗机改装上炸弹。这将需要大约一个小时。
上午7时28分，南云一半的轰炸机准备起飞前往中途岛时，一架日本侦察机发回了他最后一次巡航发现的情报：“出现10艘敌人的战船。”
起初，南云感到一阵兴奋；太平洋舰队终于出来变成日本海军的诱饵了！接着这位将军又感到一阵冷颤：假如，和前面的情报相反，美国舰队中包括有航空母舰，他自己的舰队现在就处在敌人飞机的打击范围内。南云疯狂似地企图核实--侦察机上发回的消息让他变得沉默了。接着，8时零9分，飞行员再一次向他报告：“5艘巡洋舰，5艘驱逐舰。”南云长嘘了一口气。但是8时20分的时候，飞行员向他发回第三次报告：“敌人的航空母舰紧跟在后面出现了。”
这个消息好像一个巨大的雪橇击中了南云。他把全部的“零”式战斗机都投入到中途岛上面的空战中去了。几乎所有的鱼雷轰炸机都改装了炸弹。南云现在只好命令它们再换回鱼雷--这样就浪费了另外一个珍贵的一小时。匆忙中，船员们又犯了一个致命的错误：他们毫无保护地把炸弹留在了甲板上。
南云每推迟一分钟发动对美军航空母舰的打击，这些航母运载着飞机离他的战船就越近。然而他仍在犹豫不决，在“赤城”号的船桥上踱着步。他转向军事行动专家源田指挥官，他的意见与山本五十六相同--源田平静地帮他做出决议：在他们被迫降坠海之前，首先搜寻中途岛上的攻击战机和他们的“零”式护卫战斗机。接下来再重新组织分散的战船，准备靠近敌军舰队。然后，按照最初的计划，出动所有的空中打击力量，彻底摧毁太平洋舰队。
在“企业”号航空母舰上，斯普鲁恩斯迅速做出了一些结论。早上5时34分，他的无线电台接收到远程轰炸机飞行员发往中途岛的消息，第一个消息是发现了南云的航空母舰。根据弗莱彻的命令，斯普鲁恩斯率领第十六舰队冲在前面，同时弗莱彻等待第十七特舰队的巡航返回。斯普鲁恩斯现在计算了一下，在3个小时之内，他将到达距离南云舰队100英里之内的地方，他的战斗机能够轻松地进行一次近距离的打击。但是在3个小时期间，斯普鲁恩斯知道，他也有可能错过仅有的真正的优势：突然打击。他将让他的战斗机承担一些风险。
斯普鲁恩斯让每一个人都承担着风险。早上7时零2分，日本人仍然在距离170英里之外的地方--一个在此之前从没指挥过航空母舰的人，出动了“企业”号和“大黄蜂”号上全部67架俯冲式轰炸机、全部29架鱼雷轰炸机和全部20架战斗机。大约两个小时之后，在“约克城”号的甲板上，弗莱彻命令出动一个中队的12架鱼雷轰炸机，还有一个17架俯冲式轰炸机和6架战斗机组成的打击力量。
从“大黄蜂”号上起飞的35架俯冲式轰炸机和10架战斗机，飞向预定打击目标，但是什么也没有发现，因为南云已经向东北方向驶去寻找美国的太平洋舰队了。“大黄蜂”号上的飞机转向南面，飞往中途岛，但是也没有发现南云的战船。从“企业”号上起飞的两个飞行中队，第六轰炸机中队和第六侦察机中队，在海军上尉指挥官沃德·麦克卢斯的率领下，也没有在截击地点发现敌人的战船。但是沃德·麦克卢斯把他的飞机转向了公海水域而没有向中途岛进发，去继续寻找敌人。
与此同时，从“大黄蜂”号起飞的第八鱼雷轰炸机中队发现了南云的航空母舰。但是这个中队的护航战斗机，离开它们随同“大黄蜂”号第一波起飞的35架轰炸机飞往中途岛了。一群“零”式战斗机俯冲向没有护航的鱼雷轰炸机，并将它们击落了。只有少数的美国飞机发射他们的鱼雷；但是没有击中。
离开“企业”号上的第六鱼雷轰炸机中队，跟随着从“大黄蜂”号起飞的飞行中队。这个中队的指挥官吉恩·林迪上尉拥有战斗机，但是这些战斗机全都飞行在云层上面14000英尺的高空，等待他的命令采取行动。命令永远没有到来。“零”式战斗机击落了10架轰炸机，其中包括林迪的飞机。另外4架战斗机发射完鱼雷然后就逃之夭夭了，但是他们的炸弹也同样没有命中。
从“约克城”号起飞的第三鱼雷轰炸机中队接着也发现了南云的舰队。他们拥有6架“野猫”战斗机的护卫，在吉姆·撒奇上尉的率领下，进行了激烈的战斗，击落了很多“零”式战斗机，但是敌军有更多的战斗机不断赶来。正如撒奇后来所说：“他们就像一个蜂窝。”在下面，还有更多的“零”式战斗机猛扑向第三鱼雷轰炸机中队。一架接着一架，相继有7架飞机在空中爆炸。另外5架飞机设法发射了它们的鱼雷；全部没有命中。接着，这5架试图突围的飞机又有3架被击落。
从美国航空母舰上起飞的全部大约200架飞机，只有54架飞机存活了下来。
南云的战斗热情在不断高涨。在3个小时里，他的战舰经受了不少于8次的美军空中打击。然而除了一些轻微的损伤之外，没有一艘舰船被击中。与此同时，他有93架飞机飞回来添加燃料，他准备让它们再次起飞。现在，南云表现得非常高兴，轮到他要进攻了。上午10时24分，第一批“零”式战斗机嗡嗡呼啸着离开了“赤城”的飞行甲板。
刚好在那时，“赤城”和“飞龙”两艘航空母舰上的守望人员同时叫了起来：“敌人的俯冲式轰炸机１船员们开始都不相信。头上高高的天空上，机翼上印着白色五角星的灰色飞机显现出来，一架接着一架，向他们猛冲下来。南云护航的“零”式战斗机没有一架能够飞那么高，去阻止新来的袭击者；他们在较低的高度上盘旋着，试图阻止美军的鱼雷轰炸机。
在“赤城”号的飞行甲板上，站着渊田指挥官，他是日军打击珍珠港的领导者。现在他意识到，这场错误的行动将要以什么样的方式结束了。“黑色的炸弹突然从它们的机翼下方阴森森地掉落下来，”他回忆说。“炸弹！它们在向我们飞来，直接向我们飞来１渊田在混乱中寻找安全的地方，当他从一块甲板跳向另一块甲板的时候，扭伤了两个脚踝。
正像打击迅速到来的时候一样，它也迅速地结束了。飞行甲板的中部被炸开了一个巨大的弹坑。升降飞机的电梯暴露在外面，扭曲地低垂着，渊田说：“就像被熔化的玻璃一样。”但是这批炸弹仅仅是毁灭性灾难的开始。随着“赤城”号航母掉转方向准备起飞战机，船尾燃起的旋涡型火焰，点燃了木制的飞行甲板，大火迅速吞没了连接在一起的飞机，点燃了它们的燃油箱和挂在机翼下面的鱼雷。
接着，那些被粗心地堆放在甲板上的炸弹开始爆炸了。燃烧的飞机被炸成了碎片。在船桥上，一位军官突然跑了出来，被烟火窒息得几乎透不过气来，他喊道：“下面所有的通道都着火了，惟一的出路只有通过绳子，从船桥的窗户上面滑下去。”
南云呆呆地站在那里，注视着眼前的大火。在他长期的军旅生涯中，他从来没有丢掉过一艘战舰。最后，一位副官过来拽他的手，南云摇摇头，不同意离开。紧贴着下风方向的船桥上伸过来一条绳子。南云，后面紧跟着渊田，从燃烧的飞行甲板上滑了下来，爬上另一块甲板，然后登上一艘汽艇，这艘汽艇准备把他运往“长良”号巡洋舰上，离开这艘曾经作为他的旗舰的废船。
更大规模的破坏同样发生在“苍龙”号和“加贺”号航空母舰上。沃德·麦克卢斯的37架飞机有34架把全部的炸弹投向了“加贺”号航母。有4枚炸弹穿过火海直接击中了鱼雷储藏库。弹药库引起的爆炸炸飞了很大一部分船身和船员，剩下的东西，正如一位水手后来回忆的那样，“就像一个被击碎了的头脑”。
“苍龙”号航母是马克斯·莱斯利上尉率领的第三轰炸中队的一个牺牲品，他们是从“约克城”号航空母舰上起飞的。飞行员们瞄准前甲板上升起的太阳符号，然后把他们的炸弹投放了出去。有4枚炸弹命中，炸弹引起的大火迅速吞噬了战舰。南云4艘航空母舰中的第3艘也被摧毁了。
但是最后1艘航空母舰“飞龙”号仍然具有极强的战斗力。上午10时40分，18架俯冲式轰炸机和6架“零”式战斗机从“飞龙”号甲板上呼啸着起飞了，打算报复美军舰队。飞行指挥官小林三笠上尉是另外一名参加过珍珠港战役的老兵，灵活地尾随在一些返航的美国飞机的后面，径直飞向“约克城”号航空母舰。