第三天，山本五十六率主力舰队起航。山本的旗舰是刚刚服役的“大和”号战列舰，这是有史以来排水量最大、装甲最厚、火力最强的战列舰。这艘船长863英尺，排水量6.4万吨，装甲最厚处达16吋，装备有9门射程达30余公里的18吋（460毫米）大炮，航速达27节。山本五十六相信战列舰是海战之王，所以亲率战列舰舰队准备用巨炮把美国军舰炸成碎片。
再说在珍珠港的美国人。罗奇福特几个月来截获了山本五十六90%的电报。5月20日他又截获了山本的一份长电，不仅对山本的企图、部署了如指掌，甚至还知道每艘军舰舰长的名字。唯一没有确定的是山本的进攻目标，因为电文中只提“AF”。罗奇福特和他的情报人员绞尽脑汁，在堆积如山的侦抄电文中，找到一架日军水上飞机曾计划在位于中途岛和夏威夷之间的一处礁群附近从潜艇上得到油料补充的电文。电文中提到的“AF”就是中途岛的代号，中途岛很可能是日军下一个进攻目标。
为进一步证实自己的判断，罗奇福特来到太平洋舰队司令部，用明码电报报告说“淡水蒸馏器发生故障，不能使用……”试验日军“AF”情报是否真指中途岛。结果，两天后，情报人员终于监听到了日军“AF缺乏淡水”的报告。
接着美军又成功地破译了的日军作战计划。尼米兹上将迅速调整了中途岛的防御力量。参谋人员根据情报中获取的日军航线，在海图上推算出美军航空母舰的最佳待机点——中途岛东北200海里海域。尼米兹确信这一点的选择将会给美军带来扭转战局的好运，于是将此命名为“幸运点”。
5月25日，由斯普鲁恩斯海军少将率领的第16混编队从珍珠港启航，先行开赴待机海域。第二天，以“约克城”号航空母舰为主由弗莱彻海军少将指挥的混编队也出航了，并于6月2日在“幸运点”会合，静候着猎物的来临。
山本和他的幕僚们却都有点不放心，因为就在前两天，南洋作战的部队就发现西南太平洋海域有一支由两艘航空母舰组成的美军特混舰队在活动，这实际预示美军在夏威夷方向不会再有航空母舰编队用于支援中途岛作战了。如果真是如此，那么山本煞费心机筹划的诱敌决战之计将全盘落空。山本并没有改变主意。5月26日，日本已确定日本时间6月7日为中途岛的登陆日。5月27日，在日本海军节这一天上午8时整，“第一机动部队”南云中将的旗舰航母“赤城”号升起了“按时起锚”的信号旗，紧接着，另3艘航空母舰“飞龙”“加贺”和“苍龙”号，8艘供应油船，2艘战列舰，3艘巡洋舰和12艘驱逐舰像离弦之箭向中途岛杀将而去。
6月4日清晨，美军中途岛岸基航空兵抢先发起攻击，分4个批次对首批进击中途岛的日军编队进行攻击。几乎同时南云也派出第一波次机群袭击中途岛。双方机队在日军编队上空展开厮杀。在日军战斗机疯狂的截杀和日舰炽烈的炮火下，美机如同飞蛾扑火，一架接一架坠入大海，但一架又跟着一架扑上来。美机的迎击使南云在进行了第一次空袭后，又下决心进行第二次空袭。
正在这时，巡逻机报告：“发现军舰10艘，好像是敌舰。方位10度，距中途岛40海里，航向150度，航速20节以上，时间7时28分。”南云做梦也没想到敌舰会出现得如此突然，而且就隐藏在日本编队的附近。南云决定在第二次空袭中途岛之前，首先攻击美舰。
在这个决定性的时刻，友永率领的第一波次攻击机由中途岛返回了航母。这些飞机的油料已快用尽，要求立即降落。甲板上已摆满了准备起飞的第二波次飞机，这批飞机在等待上批战斗机返回后，一同去执行攻击美舰的作战任务。8时55分，侦察机又报告发现了美军航空母舰1艘、巡洋舰7艘和驱逐舰5艘，距中途岛40海里。于是，南云于9时18分将第一波次中途岛攻击队的战斗机全部收回。为避免再次受到中途岛美军岸基飞机的威胁和取得有利的阵位，南云率队以30节的航速向北驶去。
南云舰队转向不久，警戒舰向南云报告：“发现敌人机群向我接近。”南云立即命令战斗机起飞迎敌。远处飞来的美机在遭到了日机拦截后，相继拖着浓重的黑烟坠入海中。同时，“赤城”号的机关炮也对美机进行炮击，虽然有7架美机冲破日机的拦截向“飞龙”号投下几枚鱼雷，但都被“飞龙”号扭动着巨大的身躯一一躲过。其余41架美机几乎全部坠入海底。
在迎击美机攻击的过程中，日军航空母舰继续进行反击的准备，飞机一架架从机库提上，在飞行甲板上排列好。10时20分，南云下令起飞，飞机螺旋桨“嗡嗡”作响，航母逆风航行，只需5分钟日机便可全部升空，美军将要遭到致命的一击。
在这同时，美军中途岛派出的侦察机也较为具体地查明了日军航空母舰的数量和位置，为了将日军置于美舰载机175海里的作战半径之内，斯普鲁恩斯从掌握的各方面情况判断，日军现在可能正在为袭击中途岛返航的飞机加油。果真如此，这真是个难得的机会，于是，他果断地下达了攻击日舰的命令。
“企业”号和“大黄蜂”号飞机分为4个机群歼敌，而“约克城”号的飞机则为第5个机群。由于日舰转向航行，“大黄蜂”号、“企业”号上的轰炸机未在预定海域发现敌舰。在这种情况下，轰炸机群指挥员小麦克拉斯基少校做出了“这次海战中最为重要的一个决定”——开始方形搜索。几分钟后，这种搜索产生了奇迹般的效果，美机发现了日军航空母舰。此时日军战斗机已全部被美军前4个机群的飞机吸引到了低空，“约克城”号起飞的第五机群到达时，未遭任何拦截，就对“赤城”号、“加贺”号和“苍龙”号航空母舰同时发起了攻击。
此时，在日军航空母舰的甲板上，102架飞机组成的舰载机攻击队排列就绪，整装待发。10时24分，第一架“零式”战斗机开足马力，飞离了飞行甲板。就在这时，只见美机呼啸而来，黑色的炸弹倾泻而下，日舰甲板上的爆炸声和冲天的火光骤然而起，日军一艘艘庞大的战舰顿时变成了一条条巨大的火龙，波涛汹涌的海面化为一片火海。
对这次打击，日军阵前指挥官渊田在回忆录中写道：“我首先听到的是俯冲轰炸机撕人心肺的尖叫，然后是一颗击中目标的炸弹的爆炸声。闪光令人目眩，接着听到的第二次爆炸比第一次更响。一股炽热的气浪冲击着我。接着又是一次震荡，但晃得不怎么猛烈。随后是一阵令人惊奇的寂静，炮火的射击突然停止了。我站起来望了一下天空。敌机已不见踪影……几秒钟内造成的破坏使我感到恐惧。舰中央升降机后面的飞行甲板炸了一个洞。升降机本身扭曲得像熔化的玻璃，掉到机库里。铁甲板卷成奇形怪状。甲板上的飞机翘起了尾巴，喷着青色的火舌，吐着黑烟。当我看着火势蔓延的时候，不由得泪流满面，害怕大火引起的爆炸会断送这艘航空母舰。”渊田说得一点不差，“赤城”号飞行甲板上已是一片“目不忍睹”的景象——机库里没有收好的鱼雷爆炸开来，爆烈的火球将大机库变成一座“呼呼”燃烧的大高炉，灭火器丝毫控制不了火势。作为预防措施，青木航长只好命令放水淹掉弹药库。
“加贺”号也遭到了同样的命运。第一颗炸弹在它的右舷爆炸；第二和第三颗砸开了舰首升降机，在舰桥的底下爆炸，使停着的飞机着了火，并且炸死了舰长和许多高级军官；第四颗炸弹则掉进了机库，引起炸弹和鱼雷的连锁爆炸。这艘航空母舰的速度开始减慢了。