5月27日，这一天是日本的海军节，清晨6点整，由南云中将率领的航空母舰舰队，徐徐开出了日本濑户内海海军基地，它们是这次中途岛之战的主力。然后，各舰队分别逐次地从各自的锚地启航。山本五十六所乘“大和”号也随即启航。此次战役，山本五十六及各将领对击败美国太平洋舰队，拿下中途岛充满信心。用日本人的话说，“几乎所有的人都认为胜利在握，因为人们都相信，美国的舰队都在大西洋，日本的海军在太平洋上居于优势，因此没有理由不取胜”。
是的，打算在中途岛突然袭击美军的日本人，总以为自己的行动计划十分隐秘，可以像珍珠港一样，再打美国人一个措手不及。日本人做梦也没有想到，自己的一举一动早已被美国人掌握在手中。
日本联合舰队在海上航行数天后，渐渐接近了目标。但此时太平洋上狂风大作，海浪汹涌。山本五十六看到这样的天气心中很不痛快。这时，他接到报告说中途岛上的美国守军正在抢修工事。山本五十六一惊，难道被美国人发现了？但是他转念一想：“如此恶劣的天气，正是舰队隐蔽开进的大好时机。我们尚难以看清自己的舰队，还怕敌人能发现？”想到这里，他命令舰队全速前进。
在阿留申群岛这边，日军的细萱舰队为诱使美军分散兵力，开始空袭荷兰港，但尼米兹早就知道了日本人的计划，所以，根本没有理睬。次日，日军再次袭击荷兰港，美军仍然按兵不动。山本五十六见声东击西的办法没有成功，便下令细萱舰队停止攻击阿留申，而是迅速南下，协同南云主力准备与美军舰队决战。
6月5日凌晨4：30，在中途岛西北240海里的水域上，南云下达了攻击的命令。日军的“赤诚”、“加贺”、“飞龙”、“苍龙”4艘航空母舰上灯火通明，108架飞机开始起飞，第一拨儿的攻击开始了。
美军的一架水上侦察机首先发现了南云舰队。一分钟后，岛上的雷达也发现了日军机群，美军立即拉响空袭警报。机场上所有可以起飞的飞机全部升空，离开地面，其中26架“野猫”式战斗机和“水牛”式战斗机扑向日军机群，其余的轰炸机和鱼雷攻击机则飞向日军的航空母舰。不一会儿，日军机群就抵至距中途岛30海里处，26架美军飞机迎上前去。这次交战，只进行了15分钟，美军战斗机因性能不佳就有15架被击落、7架被击伤。日机安然无恙，全部飞抵中途岛上空。
日军第一次攻击，只损失了6架飞机。由于岛上美军已经进入掩体，防空炮火也很猛烈，日军对中途岛的轰炸并没有对岛上的军事设施造成多大伤害。这时，首批从中途岛上起飞的美军鱼雷轰炸机出现在南云舰队的上空。美军飞机排成单行，扑向日军航空母舰。在空战中，美军先后有3架“掠夺者”式轻型轰炸机，3架“复仇者”式鱼雷机和8架海军“俯冲”式轰炸机被击落。美军强有力的反击使南云中将确认有必要对中途岛发动第二次轰炸。南云命令把原来准备对付美军舰队的飞机改为对中途岛进行轰炸。也就是要把这些飞机上已经挂好的鱼雷换下来，改成高爆炸弹。
就在这时，南云收到了侦察机发来的电报，说是距中途岛240海里发现美军舰队，有一艘航空母舰垫后。南云心里一惊，他不知道这些美军舰艇是从哪里来的，于是命令手下立刻对美军的舰队进行监视。同时，南云心中起了矛盾。对于这批美军舰队，如果动用准备对中途岛进行第二拨儿轰炸的飞机，可这些飞机已经换下了鱼雷而换上了高爆炸弹。是先撤换弹药呢？还是即刻起飞呢？
南云面临着一个抉择时机的问题。如果是即刻起飞，第一拨儿袭击中途岛的飞机已经返航，它们的油料快用完了，如果等第二拨儿飞机起飞后再让第一拨儿飞机降落，那么第一拨儿飞机上的油料不会坚持到这么长时间，它们就会掉进海里；或者在发起进攻之前，回收第一拨儿机群以及正在为舰队护航的战斗机，以便重新装满弹药和油料。这样将可能发动一次较强的攻势，但至少需要1个小时的时间。美军飞机完全有可能利用这段时间发起袭击。
在种种矛盾促使下，南云终于决定采用第二种方案。舰队暂时北撤，把已经挂上炸弹的飞机送往下面机库重新改装鱼雷，让出飞行甲板，回收第一拨儿攻击机群和正在空中进行战斗巡逻的54架“零”式战斗机，以避开再来攻击的美军飞机并取得有利战位。这一决定，暂时摆脱了困境，造成了美军攻击机群的扑空。日军在接到南云的命令后，各个航母上乱成了一团。地勤人员拼命地给鱼雷机卸掉重磅炸弹，重新换上鱼雷。忙碌中，他们犯了一个致命的错误，没有把匆忙换下来的炸弹及时送入弹药库，而让炸弹就这样堆放在机库的旁边。
美军第十六、第十七特混舰队在中途岛的北面，正耐心地等待猎物的到来。6月5日凌晨，美军发现了日军的舰队。立刻，从3艘航空母舰上一共起飞了152架各类飞机，向日本海军舰队冲去。由于协调出了问题，攻击机群在飞行中相互失散，加上南云舰队已经北撤，所以部分飞机在失去目标后，盲目搜索，多半飞机成了牺牲品，结果给美机群带来了重大损失。从“大黄蜂”号上起飞的一队“复仇者”鱼雷攻击机，在预定目标没有发现日军舰队的踪影，便向北进行搜索，终于，在9：25的时候，他们发现了南云的舰队。不幸的是，他们飞机的油料快要耗尽。而且他们没有战斗机的护航，在自杀式攻击中，被日军的炮火和“零”式战斗机击落。30名飞行员中，除了一人获救外，其余的人全部遇难。更可悲的是，从“约克城”号航母和“企业”号上起飞的飞机所携带的鱼雷竟然无一命中日航空母舰。
此时的南云已经完成了出击前的准备工作，102架飞机组成的日军舰载机攻击队已经排列就绪，整装待发。美国的航空母舰就要遭到重大的打击。
这场战役到此，美军如果不是早有心理准备，有着心态上的沉稳，不是攻其不备，鹿死谁手很可能是另外一个结果。
就在美军败局将定的时候，出现了一个戏剧性的转折。从“企业”号上起飞的33架美军“无畏”式俯冲轰炸机，在预定的海域没有发现目标，搜索了一个小时也一无所获。由于担心燃料不足，正准备返航时，他们忽然发现了一艘日军驱逐舰，领队克拉斯基少校立即决定跟踪这艘驱逐舰，以找到日军的舰队。果然，大约过了10多分钟，在6000米的高空，克拉斯基终于发现了由4艘航空母舰组成的蔚为壮观的南云舰队。于是，33架“无畏”战机在克拉斯基的率领下，向南云舰队猛扑过去。令他们大惑不解的是，高空竟然没有一架日军飞机巡逻。当他们接近目标时，克拉斯基才恍然大悟，原来在南云舰队的低空，日本“零”式战机正在对美军的鱼雷机进行围攻。这时，从“约克城”号航母上起飞的17架“无畏”式俯冲轰炸机也来到了这里与克拉斯基他们会合了。
海面上，4艘航母被驱逐舰和巡洋舰围绕着，在海面上泛起一条条白色的航迹，编制成的图案显得十分壮观。这时，日军大部分的战斗机已经被收回到航空母舰上，一架架挂好鱼雷的飞机从机库里提到了甲板上，过5分钟就可以升空，去进行对美军舰队的轰炸。
这5分钟，对日军来说是宝贵的，也是致命的。在这5分钟内，如果日军的飞机能够起飞，不仅可以与美军飞机在空中进行绞杀，还可以轰炸美军的舰队。然而，已经来不及了！就在海面低空的战斗刚刚停止的瞬间，克拉斯基率领的“无畏”式战机已经开始俯冲轰炸。“企业”号上的33架轰炸机分成两个中队分别向“赤诚”号和“加贺”号航母进行攻击，而“约克城”上的17架轰炸机则向“苍龙”号发起猛攻。
只见一架美军俯冲轰炸机首先穿出云层，直扑“加贺”号。“加贺”号庞大的身躯立即被4枚炸弹击中，飞行甲板前、中、后部均被炸开，向外翻卷，下面的机库因此而暴露出来。1枚炸弹还击中了舰桥旁的一辆加油车，顷刻之间，“加贺”就变成了一个巨大的火炉，浓烟滚滚，火光冲天。机库中的飞机也很快被大火吞没，舰长冈四大佐当场被烧死。不久该舰便自行爆裂沉没，来不及逃生的700多名日军随舰一起葬身大海。
“加贺”号的遭遇把在“赤诚“号旗舰上的南云等人惊得目瞪口呆，甚至没有注意到美军的飞机已经向他们扑来。就在南云们还在呆望着“加贺”上的熊熊大火时，3架“无畏”已经对“赤诚”发起了攻击。炸弹从机翼下飘然而下，“赤诚”号当即被两颗炸弹击中，巨大的爆炸和眩目的闪光立刻就把已经发呆的日军掀翻在甲板上。有一颗炸弹落在升降机的后部，另一颗落在甲板左舷后段。升降机后面被炸出一个大洞，飞行甲板向上翻起，甲板上的飞机尾部朝天，还喷射出可怕的青蓝色火焰。紧接着，一枚枚炸弹连续爆炸，大火四处蔓延，吞没了整个甲板上的飞机，引爆了挂在飞机上的鱼雷，整个机库已经成为了一片火海。南云看着航母在接二连三地爆炸中颤抖，心中也是一阵阵地颤抖。只一会工夫，大火就已经包围了舰桥，南云无可奈何地准备转移到“长良”号巡洋舰上去。南云由一名副官搀扶着从舰桥的窗口爬出，捋着绳子逃下船，又爬上了“长良”号。
与此同时，“约克城”号上的17架轰炸机向“苍龙”号发起了攻势。10：30左右，“无畏”投下的3枚重达1000磅的炸弹分别命中“苍龙”前部的飞行甲板和中部的升降机，引爆了堆放的炸药和油库。顿时“苍龙”变成了“火龙”，许多人被烈火烧得尖声狂叫，四处逃窜。舰长柳本大佐不得不下令官兵弃舰逃生。这艘排水量1．59万吨的庞然大物被炸10分钟后，它的主机就停止了转动。傍晚时分，“苍龙”号随着日落沉入了海底。舰长柳本与“苍龙”一起葬身大海。
“加贺”号和“苍龙”号相继沉没后，山本五十六下令将他曾经乘坐的，如今已经摇摇欲坠的“赤诚”沉了。南云在“长良”号上看着眼前的一幕幕惨景，不禁号啕大哭。他想剖腹自杀，被手下人劝阻。
在不到一天的时间内，曾经威武一时的南云舰队连续损失了3艘航母，只剩下“飞龙”号一艘苦撑危局了。然而，14：45，美军侦察机发现了“飞龙”的踪迹。立刻，“企业”号上的24架“无畏”式轰炸机马上起飞，向“飞龙”扑去。当美军飞机到达“飞龙”号上空的时候，舰上已经疲惫不堪的日军正在甲板上狼吞虎咽地吃着米团。当防空兵发现美军飞机时，还没等拉响警报，“无畏”已经从晚霞中扑将上来，将一连串的炸弹投向了日军的头上。
在美军飞机的轮番轰炸下，“飞龙”与其他几个“兄弟”同等命运，在21：23，舰长加来止男和在该舰上的第二航空战队司令山口多闻少将下令全体船员离船，并命令一艘驱逐舰将“飞龙”号也击沉。山口多闻和加来止南把自己绑在舰桥上，随舰同归于尽。
此时的山本五十六正在离南云舰队450海里的地方。最初，他也接到了有关日本巡逻侦察机发现美军舰队的电报，但是他认为这是消灭美军太平洋舰队的大好时机。但是，他却没有及时提醒南云停止对中途岛的攻击，而将第二波儿攻击的目标对准美军舰队。山本五十六和他的首席参谋黑岛想：南云作为知名的将军，应该知道这样的推理。因此，他们都没有再给南云发出有关必要的提醒。当然，他们也不会想到南云在前方会是那样的拖拉和犹豫。更没有想到美军在这次战役开始的时候就已经设下了埋伏。
随着“飞龙”号的沉没，标志着显赫一时的南云主力舰队已经彻底灭亡了，他的4艘航母全部沉没于大海之中。中途岛一役，成为日本人永远的心痛，这一战，导致了日军在太平洋上的优势不复存在，美军由此一步步开始转向反制日本，并最终战胜日本。
中途岛海战，是美军以少胜多的一个典型战例。它的决胜条件之一就是美军破译了日军的密码和对“AF”的准确判断。