没有人料到日军攻势会如此凌厉和一帆风顺。
不过，英美两国陆海军虽屡战屡败，退守澳大利亚，但将帅头脑清醒，迅速定下今后的战略方针：保卫澳大利亚至美国的交通线，把澳大利亚变为来日反攻的基地。
相反，日本海军却被自己的胜利弄得眼花缭乱，提出两个战略方案：一是向西进攻，占领印度，与德军会师伊朗；二是南进，占领澳大利亚。由于希特勒对德日会师无兴趣，第一个方案被放弃了。
第二个方案遭到日本陆军的坚决反对和嘲笑。陆军参谋本部作战部的服部卓四郎大佐向海军军令部（即海军参谋部）作战部的富冈定俊海军大佐指出：澳大利亚是日本在华占领区的两倍，日本必须动用准备对付苏联的关东军，出动12个师。双方争执起来，最后服部卓四郎拿起一杯水，道：“杯里的水代表我们的力量，”说罢将水往地上一泼，“你看，只能流这么远。”服部的比喻未说服海军，陆海军的战略争论愈演愈烈，直到1942年3月中旬才达成妥协。日本海军放弃占领澳大利亚的要求，陆军则同意向新几内亚南岸的莫尔兹比港、所罗门群岛、新赫不里底群岛和新喀里多尼亚岛进军，切断美澳交通线，使盟军进一步陷入被动。
然而这个战略计划却遭到联合舰队司令山本五十六的坚决反对。山本要求占领中途岛，并把进攻时间定在6月。
中途岛是珍珠港西北方1136英里处的两个珊瑚礁，战略位置重要，是夏威夷群岛的大门和前哨。若中途岛失守，珍珠港则朝不保夕。
然而山本的真正目标并不是中途岛，更不是珍珠港，而是美国太平洋舰队的4艘航空母舰。这四艘航空母舰是英美两国唯一能打击日军的力量，几个月来多次袭击日军船队、驻防的港口和海岛，被英美两国公众视为胜利的象征和希望，也自然成为山本的眼中钉。山本想以进攻中途岛来引诱美国航空母舰出战，之后以绝对优势的兵力将其聚歼，最后顺势占领中途岛，威胁夏威夷，让美国朝野相信胜利无望，谋求与日本媾和。这样日本就可以结束战争，保住已取得的地盘。
为此，山本和军令部就战略进攻方向问题，再次发生激烈冲突。最后山本故伎重演，以辞职相要挟。军令部部长永野修身海军大将只得同意进攻中途岛，但认为不必着急非在6月不可。
就在这时，美国著名飞行员詹姆斯·杜立德帮了山本的大忙，使军令部全盘接受了山本进攻中途岛的方案。
美国海军在珍珠港蒙受奇耻大辱，太平洋舰队仅剩4艘航空母舰，接着日军在东南亚又连战连胜，美军岂能咽下这口气？因此，早就想给日军点颜色看看。为了达到这个目的，罗斯福总统命令实施一项令人震惊的作战计划——轰炸日本本土。无奈日本太远，让仅有的4艘航空母舰驶入日本近海实在太冒险，只得作罢。
有一天，海军作战部的一位作战参谋突发奇想，说可以让陆军航空兵的双引擎中程轰炸机从航空母舰上起飞，去轰炸日本。不久，24架B—25轰炸机机组开始专门模拟练习从航空母舰上起飞的技术，指挥官就是美国著名飞行员杜立德中校。结果，模拟练习获得圆满成功。
1942年4月1日，杜立德中校带着16组机组人员和16架B—25型轰炸机，登上“大黄蜂”号航空母舰，同2艘巡洋舰、4艘驱逐舰和1艘油船，从旧金山起航，向西驶去。为了不被敌人发现，“大黄蜂”号穿过北太平洋风暴区，在阿留申群岛和中途岛之间的一个指定地点同哈尔西海军中将的“企业”号会合，而后向九州海岸以西约600英里的起飞点前进。
日本大本营对美国出动这两支舰队一无所知。
4月16日，飞行员们集中在甲板上，举行了一个特别的授勋仪式。
拿到勋章的飞行员把它们系在炸弹上，系好后，飞行员们还用粉笔写道：“我不要火烧世界，我只火烧东京！请尝尝轰炸的味道吧！”仪式后的第二天下午，特遣舰队离起飞点只有24小时的水上里程，仍未被敌人发现。当晚，雷达发现了日本海上警戒线最外层的哨艇。舰队改变了航向，第二天上午7时，在离起飞点还差100英里的时候，一艘敌船发现了特遣舰队。几分钟之后，前卫巡洋舰用炮火击沉了这艘小型勤务艇。
果断的哈尔西将军向“大黄蜂”号发出了起飞的信号，这时起飞飞机会冒着返回时油料耗尽的危险，所以，每架飞机都额外加了10罐5加仑的汽油，主油箱加得满满的。早晨7时20分，杜立德的双引擎轰炸机第一个起飞，朝东京方向飞去。其余的轰炸机也一架接一架地上了甲板。当最后一架飞机被拖到起飞线时，时间是上午8时20分。
东京大本营虽然知道空袭要来了，但是按外线巡逻艇报告的方位来判断，美轰炸机得再过上一天才能到达。尽管如此，日军仍下令所有能出动的飞机都奉命进入戒备状态。近藤信竹中将奉命立即从横须贺海军基地出发，率舰队去截击美舰。上午9时，一架巡逻机报告说，在离本土约600英里的上空发现一架向西飞行的双引擎轰炸机。但是，谁也不相信这个报告，一是没见过美军的航母上有双引擎轰炸机，二是几乎没有人相信美国飞机能到东京上空进行轰炸。
4月18日是星期天，天气晴朗又暖和。东京街头熙熙攘攘，挤满了买东西和出来游玩的人群。接近10时，杜立德驾机飞到日本沿海，比预定航线往北偏了80英里。他折向左方。在飞机后部的领航员怀尔德纳开始观察有无追击的飞机，结果发现日本对这架飞机没有在意，照样干着自己的事。
但有一件事很巧，这天中午，东条英机恰好乘一架飞机从他视察的水户航空学校回来，在经过美机航线准备在附近一个机场降落时，从右方飞来了一架双引擎飞机。东条的秘书先看见了，等飞机飞近了，甚至连飞行员的脸都可以看见了，他猛然醒悟，大喊：“美国飞机！”此时，东条无可奈何，自身无法迎击美军机群，组织起飞反击也来不及。几分钟后，杜立德到达目标上空。在进行低空轰炸时，弗里德·布里梅用瞄准器投下了第一颗炸弹。随后，飞机一架接一架飞过市区，把炸弹扔了下去。按照杜立德事先的命令，飞机除了不炸医院、学校和皇宫外，轰炸了东京大半个城市。这次空袭摧毁了90座建筑物，就物质破坏而言，虽然价值不大，但对城市造成了严重的破坏。更重要的是，举世不相信日本会受到攻击，日本人自己更认为自己是世世代代不会遭受攻击的民族，而现在真的被轰炸了，在人们的心理上引起了难以言状的震动。
美军轰炸东京使日本的陆海军将领们丢尽了脸，他们愤怒了，立即决定向美军的太平洋基地进行再次打击。这时，所有反对进攻中途岛的人转眼间变成山本方案的支持者。山本五十六的中途岛计划就这样被批准了。
1942年5月5日，日本军令部总长永野海军大将奉天皇命令，发布了《大本营海军部第十八号命令》，中途岛作战计划正式批准，并被命名为“米号作战”。这次战役的意图有两个：一是对中途岛实施有限目标的军事占领，以此作为攻击夏威夷的航空基地；二是诱歼美国太平洋舰队，使日本在太平洋上的这一战略对手彻底丧失作战能力。
5月20日，日本派出两架水上飞机对珍珠港进行空中侦察，“米号作战”计划付诸实施。
此时，美日之间正在进行珊瑚海海战，以及两国情报部门的间谍战。因为它们都和中途岛作战密切相关。可以这样说，珊瑚海海战，以及美国海军情报局高超的密码破译术，给日本人日后在中途岛的惨败埋下了伏笔。美国情报部门在战前已破译了日本外务省和海军的密码，代号是“魔术”，只是因为阴差阳错，才让日本人在珍珠港得手。
4月中旬，罗奇福特和密码破译人员发现日军正调集重兵，准备从海上攻取战略重镇莫尔兹比港。莫尔兹比港是新几内亚岛南岸唯一的港口，也是扼守欧文—斯坦利山的澳大利亚军队的后方基地。对盟军而言，若该港失守，不仅在新几内亚作战的全部澳大利亚军队将成为瓮中之鳖，澳大利亚东北部也将处在日本岸基飞机的攻击之下。对日军来说，占领莫尔兹比港不仅可以控制整个新几内亚并威胁澳大利亚，还能保障其西南太平洋的战略枢纽——拉包尔——的西翼，同时掩护进攻所罗门群岛部队的侧后。
1月23日，日军南海支队和第4舰队占领拉包尔。3月6日至10日，井上成美海军中将指挥第4舰队运载南海支队占领莱城和萨拉莫阿，并准备攻取莫尔兹比。
正在珊瑚海的美“莱克星顿”和“约克敦”号航空母舰闻讯立刻空袭登陆的日军。
此时南云忠一的航空母舰主力还在印度洋，日本联合舰队的主力在本土，日军虽占了莱城和萨拉莫阿，但无法在美航空母舰的威胁下渡海进攻莫尔兹比港，只得暂时罢手待援。
山本五十六命令南云忠一麾下的高木海军中将率“瑞鹤”和“翔鹤”号两艘大型航空母舰在结束印度洋作战后，不回本土休整而驶往西南太平洋，增援井上成美。他还派轻型航空母舰“祥凤”号加强井上的力量。井上实力大增，制定了名为“MO”的攻取莫尔兹比港的计划，准备在5月3日先占领所罗门群岛南部的图拉吉岛，以修建机场，一星期后进攻莫尔兹比港。
美国太平洋舰队对这个“MO”计划了如指掌。太平洋舰队司令尼米兹海军上将犯难了：“企业”号和“大黄蜂”号航空母舰正驶往珊瑚海，手里只有在珍珠港的“莱克星顿”号航空母舰和在珊瑚海的“约克敦”号航空母舰。无奈，尼米兹只得令这两艘军舰迎战，并命令“大黄蜂”和“企业”号火速赶来。
4月16日，“莱克星顿”号和两艘巡洋舰、5艘驱逐舰从珍珠港起航。5月5日8时与“约克敦”号会合，组成第17特混舰队，由弗兰克·弗莱彻海军中将指挥。
此时日军已于5月3日顺利占领图拉吉岛，但当天就遭到从“约克敦”号起飞的美舰载机的袭击。在所罗门群岛以北的高木正率“瑞鹤”和“翔鹤”两艘航空母舰南下。此时，见图拉吉岛遭空袭，立刻断定附近有美国航空母舰，便迅速率领舰队沿所罗门群岛东缘南驰，而后西折，于5月6日进入珊瑚海。
5月7日上午，高木的一架侦察机报告在日本舰队以南160海里处发现一支航空母舰特混舰队。高木立即下令70架战斗机、轰炸机和鱼雷机起飞攻击。日机在9时飞抵目标后发现不是航空母舰，而是条大腹便便的油船和一艘护航的驱逐舰。两艘可怜兮兮的孤船不一会儿就沉入大海。
就在高木错将油船当航空母舰而猛烈轰炸的时候，弗莱彻的侦察机在上午8时发现了“祥凤”号轻型航空母舰及其护卫舰只。这支舰队刚刚完成掩护日军进犯莫尔兹比港。弗莱彻立刻起飞了93架飞机，在11时10分集中轰炸“祥凤”号，有7枚鱼雷和13枚炸弹命中。20分钟后，这艘轻型航空母舰沉没了。
再说高木得知目标是艘油船，自知丧失了先发制人的宝贵时机。不久，又一架侦察机发现美航空母舰的位置，但等攻击部队返回母舰并做好再次出击的准备时，已是16时。若此时起飞，日机可在黄昏时分攻击，但须在夜幕中返航。高木未敢让飞机倾巢而出，只派出受过夜航训练的27架轰炸机和鱼雷机在16时30分起飞。日机未发现美舰，反而与巡逻的美战斗机遭遇，被击落9架。其余的四散而逃，在茫茫夜空中独自返航，结果只有6架飞回母舰。
坐镇拉包尔的第4舰队司令井上见“祥凤”号被击沉，急令登陆部队北撤待命。
5月8日拂晓，高木和弗莱彻都派出飞机侦察，战争史上第一次航空母舰大战已不可避免，双方实力大体相当，所不同的是美舰上有雷达，而日舰没有。
但美国飞行员大多是没有实战经验的新手，而日本飞行员都是经验丰富的老兵。日舰上空还有浓云掩护。8时15分左右，双方的侦察机几乎同时发现对方的航空母舰，轰炸机、战斗机和鱼雷机立刻起飞。
美机于10时50分飞抵日舰的上空。“瑞鹤”号躲进云雨区，逃过了空袭。“翔鹤”号遭到轮番轰炸，飞行甲板挨了三枚重磅炸弹，失去战斗力。
在美机发起攻击后40分钟，70架日机也向两艘美国航空母舰发起攻击。一枚炸弹击中“约克敦”号的飞行甲板，顿时燃起大火。舰上的管损队训练有素，很快控制了火势。“莱克星顿”号左舷中了2枚鱼雷，甲板和烟窗附近中了些小炸弹，但还能正常航行。
双方损失大体相当。
到下午5时，“莱克星顿”号航空母舰舰内突然发生两次大爆炸，把这艘3.3万吨的巨舰震得剧烈摇摆起来，迅速倾斜，瘫在水面。原来那两枚鱼雷炸断了航空汽油输油管，汽油气爆炸，引爆了舱内的炸弹和鱼雷，引起无法控制的大火。舰长谢尔曼海军上校见状只得下令弃舰。待全部人员离舰后，驱逐舰向这艘巨舰发射了4枚鱼雷。“莱克星顿”号猛地一震，烟雾四起，舰尾没入水中，舰首高高翘起，缓缓沉入大海。这艘1927年服役的老舰沉没了。
高木不愿罢休，消灭残敌，但却收到井上将军停止攻击的命令。原来井上觉得美特混舰队虽已被击溃，但自己剩下的舰载机已不足以掩护夺占莫尔兹比港，就下令高木返航。高木只得从命。
远在日本本土的山本五十六于当晚收到井上的报告，大为光火，责令高木立刻追击。高木立刻转身南下，但弗莱彻早已无影无踪了。这次史称“珊瑚海海战”的第一次航空母舰大战结束了。
日本似乎获胜：击沉击伤美国航空母舰各1艘，击沉油船和驱逐舰各1艘。自己的损失是，1艘轻型航空母舰被击沉，1艘大型航空母舰被击伤。
这样，日本被迫再次推迟进攻莫尔兹比港的时间。更严重的是，被击伤的“翔鹤”号和安然无恙的“瑞鹤”号航空母舰都无法参加即将开始的中途岛海战。前者受损严重，后者因无法立即补充大量损失的飞机和飞行员而不能同南云一起出航。日军有这么多舰载航空兵不能参加中途岛战役，为日后的作战蒙上了一层阴影。
以二比一的优势兵力和日本飞行员高超的飞行技术，加上袭击的战术，山本五十六自然有理由相信胜券在握。然而这个二比一的优势兵力，在日方的不实情报和美方的准确情报面前大打了折扣。
5月26日，担任佯攻的角田觉治海军少将率“龙骧”和“隼鹰”号轻型航空母舰从大凑出发，驶往阿留申群岛。次日南云也率四艘大型航空母舰离开本土，驶往中途岛西北方向。
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。
几秒钟之后，美军“约克城”号的俯冲轰炸机迅速结果了日军航空母舰“苍龙”号。同时，在“企业”号舰载机起飞后一个多小时才起飞的18架“无畏式”飞机，抄近道赶到日军舰队上空发起攻击，几分钟的快速袭击使日军的防卫陷于瘫痪。而“约克城”号的“无畏式”飞机没有一架受损。此役，美国海军以47架飞机的代价，消灭了日本帝国海军这支精锐的航空母舰突击舰队的3/4的力量。
遭袭后，“苍龙”号的火势已经变得不可控制了，在袭击结束之后不到20分钟，这艘航空母舰就被首先下令放弃。800名官兵沉到海底。
南云的旗舰“赤城”号也伤痕累累，它设法继续航行了20分钟后，动力越来越弱。10时47分，南云听从劝告，不顾体面地从舰桥的一个窗口顺着绳子爬了下去。最后一个爬下来的是渊田，他发现绳子已经烧着了，铁梯子烫手，他只好往下跳，结果摔坏了双脚。他躺在竹担架上，和几百名受伤的官兵一起，从甲板上转移到等候着的驱逐舰上。
当南云在上午11时之前将他的指挥旗转移到“长良”号驱逐舰上的时候，他还有完整的“飞龙”号以及两艘战列舰、3艘巡洋舰和12艘驱逐舰供他指挥。这使他有了反击美国特遣舰队的战斗机会。
6月4日正午前，“约克城”号的雷达发现“飞龙”号的俯冲轰炸机从西边飞来，相距它们还有约50英里。“约克城”号的战斗机驾驶员吸取了以前海战的教训，设法抢占了高度，在敌机发动进攻之前就击落了3架护航的“零式”战斗机和6架轰炸机。“约克城”号航空母舰上的枪炮手击落了另外两架还没有来得及投弹的“九九式”轰炸机。在垂直落下的6颗炮弹中，只有3颗击中目标。有一架飞机没有收住俯冲而炸毁了，一颗炸弹在飞行甲板上爆炸，引起了火灾。但这场大火不到一个小时就被制止。巴克迈斯特舰长仍让他的航空母舰以每小时20海里的速度行进。
接连的失败激怒了“飞龙”号上老资格的飞行员友永海军上尉，他坚持要用仅余的几架飞机出战，尽管他自己的飞机的油箱坏了，飞去就意味着飞不回来。
一小时后，友永率“九七式”鱼雷飞机分头向美军进攻，在桅顶的高度上，从四面八方向“约克城”号扑去。替这艘航空母舰护航的4艘重型巡洋舰采用了新战术：用重炮向前方海域发射炮弹，掀起一堵水墙。可是日本飞行员冲过了水墙，在离“约克城”号舰首不到500码的地方投下“长矛式”鱼雷。
两颗鱼雷击中了“约克城”号左舷，在油箱附近的舰壳上掀开两个大洞，舰舵被轧住了。大量海水从洞口涌入，“约克城”号发生令人担忧的倾斜。不一会儿，抢险队报告：他们解决不了海水滔滔不绝流进来的问题，因为临时修补远远不能把水堵住。
巴克迈斯特估计母舰很快就要倾覆，在下午3时前不久下令放弃。后来证明巴克迈斯特做出放弃舰只的决定为时过早。就在他做出这个决定的时候，一小时之前起飞的10架“无畏式”飞机侦察小分队，在下午2时45分左右到达南云舰队剩下的那艘航空母舰的上空。这就是“飞龙”号。第16特遣队收到这个消息后，斯普鲁恩斯在3时30分将“企业”号调头迎风，出动另一批空袭力量，共24架俯冲轰炸机，包括“约克城”号上的10架“无畏式”飞机。这时，日军“飞龙”号上饥饿的飞行员们则在吃着甜米团子。当瞭望员大喊着“敌人的俯冲轰炸机来了”的时候，还没等司号员吹起警号，“无畏式”轰炸机就从晚霞中直扑过来。“飞龙”号立刻起了大火。几分钟后，袭击停止了。除损失3架轰炸机以外，所有的“无畏式”轰炸机均平安返回。“企业”号报告了他们在一天之内击沉了两艘航空母舰的辉煌战绩。
日本参谋部的成员紧闭着嘴巴，围着海图磋商了一个多小时，核查剩下的海军部队的部署。角田觉治海军少将率领的两艘航空母舰和一批重型巡洋舰，对荷兰港进行了第二次空袭后，正从北太平洋火速南下。近藤海军中将率领的1艘轻型航空母舰、2艘战列舰和4艘重型巡洋舰正从西面驶向中途岛；栗田海军中将率领的4艘重型巡洋舰和3艘水上飞机供应船从西北面全速驶往该岛。断后的是主力部队——巨型战列舰“大和”号、2艘较小的战列舰和1艘轻型航空母舰。如果这几支可怕的力量能够同南云剩下的2艘战列舰和3艘巡洋舰会合，仍将有希望赢得一场“海上决战”。为了集合分散的舰队，山本当晚发出乐观的信号：“敌人舰队几乎被消灭，正往东撤退。”并下令按计划在第二天占领中途岛。
南云接到了山本下午7时发出的命令：所有部队“立即接触敌人并将它们歼灭”。南云的舰队奉命立即改变航向，“参加夜间战斗”。
美军中途岛舰队指挥斯普鲁恩斯非常清楚山本的计划。他知道在夜间追逐南云遭到打击的部队，可能使他和弗莱彻在白天赢得的胜利前功尽弃。于是他命令特遣舰队东撤，在黎明时回到面临威胁的中途岛的攻击距离之内。精明的斯普鲁恩斯做对了，没有让舰队去冒这个险。6月5日上午，华盛顿海军部向记者发布新闻：太平洋上正在进行一场大规模海战，形势似乎对美国有利。
当然，山本还没有完全放弃希望，他认为如果美国舰队贸然西进到很远的地方，使日本舰队得以和威克岛出动的轰炸机群发动联合进攻，那么他仍能赢得胜利。但是斯普鲁恩斯又一次猜透了他的意图，除当天上午派出的一队俯冲轰炸机往西搜寻并炸毁前一天两艘受伤的巡洋舰外，未作大的举动。而西撤的日军也在没有遇到抵抗的情况下在阿留申群岛最西边的岛屿阿图岛登陆，俘虏了一小批阿留申的爱斯基摩人和气象站的10名工作人员。
日军占领了无人居住的一个小岛，向国内吹嘘太阳旗在美国大陆上飘扬了。虽然日本人攻占的岛屿只是名义上的美国海岸，但仍使美国国内感到不安。在日军登陆的第二天，美军命令第16特遣舰队北上，出动轰炸机群袭击被占领的岛屿，拔掉了这个令人尴尬的日本的新前哨站。这样，山本就失去了补救这次失败的最后机会。
这次中途岛附近的海战，标志着日本帝国末日的开始，不仅打破帝国海军从未失败的记录，而且使它损失了4艘航空母舰，1艘重型巡洋舰、2200名水兵的生命、234架飞机和最好的海军飞行员。山本宣布他要承担全部责任。在“长良”号上，南云严厉自责是自己造成了这次惨败，被他的部下劝住没有自杀。
6月10日，东京的海军参谋本部努力掩盖他们失败的惨重程度，他们害怕公众的批评，害怕丢脸。广播电台播放了《海军进行曲》响亮的乐曲之后，广播员宣读了一份公报：日本已“成为太平洋上的最强国”，“一次战斗决定了”这场战争的胜败。在这次战斗中，帝国海军的1艘航空母舰被击沉，美国海军则损失了两艘航空母舰和120架飞机。
4天之后，当联合舰队返回柱岛锚地的时候，东京举行了灯笼游行，庆祝这次新的“胜利”，联合舰队是不宣而归的，没有说明为何少了4艘航空母舰，因为自从战争开始以来它们一直在海上，这次没有回来也没有人惦念。“赤城”号、“加贺”号、“苍龙”号和“飞龙”号上的幸存者没有休假，被匆匆派到了日本和太平洋上的前哨基地；伤员是在夜间上岸的，然后被送往与外界隔绝的医院病房，不准和亲人会面。
分析家评价说，美国航空母舰在中途岛赢得胜利，一是靠美国海军情报机关顽强和严守秘密的作风，每个飞行员的勇敢，以及弗莱彻、斯普鲁恩斯的冷静的战术判断和尼米兹的大胆的战略谋划。二是日本人致命的“胜利”病也帮了忙。
海军上将金在评价美国这次胜利的意义时写道：“中途岛战斗是日本海军350年以来的第一次决定性的败仗。它结束了日本的长期攻势，恢复了太平洋海军力量的均势。”