1942年春，美軍的小羅奇福特報組破譯了日軍的電報密碼，發現，日軍許多電文中都出現了“AF”字樣。他們推斷“AF”可能是下一次戰役的行動目的，根據其他情報分析，“AF”可能就是中途島。情報組駐島美軍以淺顯的英語拍發了一份向上級報告淡水裝置設備發生故障的電服。不久，情報組截獲的一份日本電報中稱：“AF”可能缺乏淡水。接下來美國人以此為突破口，乘隙追蹤，順利地破譯了反映日本艦隊計劃全貌的日方通信。到5月中旬，美國情報機構不僅弄清了日本正在計劃奪取中途島，而且還清楚地查明了日本的參戰兵力、數量，甚至連部隊單位、各艦艦長，艦上的航線都了如指掌。美太平洋艦隊司令尼米茲決心在中途島與日軍決一死戰，他采用了一切可以采用的方法，加強中途島的防禦，在水際灘頭及周圍水域布設了水雷，增加了海軍俯衝轟炸機，7架“野貓”式戰鬥機，30架海軍水上巡邏機，18架B—17式陸軍轟炸機和4架B—26式陸軍轟炸機陸續在中途島機場著陸，使該島飛機猛增到120架。
尼米茲又集中了他所有能集中起來的軍艦，決心在海上伏擊山本的聯合艦隊。不過他的海上力量實在有限，航空母艦“列克星頓號”在剛剛結束的珊瑚海海戰中沉入海底，“約克城號”受傷後正在歸途中，航空母艦“薩拉托加號”遠在美國西海岸進行訓練，來不及回來參戰，隻有“大黃蜂號”和“企業號”正奉命急速從南太平洋開往夏威夷。
6月1日和2日，山本得到一些新消息。
無線電偵察發現，從夏威夷發出的電訊有明顯的增加，在所截收到的180份電報中有72份是急電，說明局勢異常緊張。
“敵人似乎加強了對中途島西南方麵巡邏，巡邏距離大概為600海裏。”
最後，“大和號”上的無線電甚至截聽到了顯然表明美國航空母艦在夏威夷海域的信號，但山本似乎更願意相信大本營的判斷，美國航空母航還在所羅門群島附近活動，因而他認為不值得打破無線電靜默而使整個行動受到破壞。
接到友永的電報後，南雲司令部的參謀們展開了激烈的爭論。有人主張為防備敵特混艦隊，應維持現狀，但也有人主張此次作戰的目的在於攻占中途島，應趁此機會徹底摧毀敵人的基地，掩護登陸部隊順利登陸。
在這緊要關頭，南雲最後選擇了出動第2次攻擊隊，轟炸中途島。
南雲犯了致命的錯誤，他忘記了山本的告誡。
由於停在飛行甲板上的第2衝擊波飛機裝備的是魚雷和轟炸軍艦用的重磅炸彈，攻擊陸地就要把這些炸彈全卸下來，換上攻擊陸地的800號炸彈。
正在換炸彈的時候，6架美軍魚雷機和4架陸軍B—26轟炸機，撲向日本旗艦“赤城號”、“零式”戰鬥機迎上去，當即有3架美機斃命，另外3架拚命撲來。丟下魚雷，赤城號輕易躲過了慢慢前進的魚雷。
5時25分，“利根號”偵察機傳來發現美特混艦隊的報告。
這一報告把艦橋上的人都驚呆了，此時攻擊中途島的第1攻擊波的機群已陸續返航，艦上正匆忙進行飛機的回收工作。
從海圖上查明，日、美兩隻艦隊相距200海裏。
南雲不相信美艦會在這樣近的距離。於是他下令偵察機：“查明艦種並保持同敵艦隊的接觸。”
6時20分，偵察機發來電報：“敵艦隊後麵似乎還有一艘航空母艦。”
南雲在這一緊要關頭又開始猶豫，對於攻擊艦船目標來說，當然以使用魚雷和艦船用炸彈為好。可是艦上正待出擊的飛機都已裝上了準備轟炸中途島的陸用炸彈。是換炸彈呢？還是立刻起飛攻擊美艦呢？足足10分鍾，南雲舉棋不定。
第一航空母艦艦隊司令官山口向南雲發出信號：“我認為應立即命令攻擊部隊起飛。”可是海軍出身、熟悉魚雷的南雲沒有這樣做，6時30分，他作出決定：各戰艦“收機作業完成後，我部隊暫向北挺進，捕捉並殲滅敵機動部隊。”
於是各艦再度換裝魚雷和對艦炸彈，飛機又進入機庫，由於時間緊張，裝彈手來不及將卸下來的普通炸彈按要求送回安全的彈庫，而是順手堆在了機庫的角落上，忙中出錯，亂中生災，就是這些炸彈後來引爆，導致了巨艦的自我毀滅。
6時25分，從美“大黃蜂號”上又起飛了15架魚雷機，但這些飛機被“零式”戰鬥機全部擊落。
6時30分從美“企業號”起飛了14架魚雷機有10架被“零式”戰鬥機擊落，有4架發射了魚雷，但沒有一條被魚雷命中。
“從約克城號”起飛的12架魚雷機，飛向日艦“飛龍號”，被日機擊落7架，有5架發射了魚雷，但被“飛龍號”躲過，這56架魚雷機返航時，又有兩架被擊落。
3艘航空母艦上出動的41架魚雷機，隻有6架死裏逃生，更可悲的是所投魚雷，一彈未中。
南雲在此時，回收了93架飛機，給它們加了油，它們作好了起飛的準備，而第2攻擊波的108架飛機也已準備好。7時20分，他下達了“第2攻擊波準備起飛”的命令。
就在這時，美俯衝轟炸機突然衝破雲層，以迅雷不及掩耳之勢撲了過來。
4枚炸彈命中“加賀號”，其中一枚正中艦橋旁邊的1輛加油車，立即燃起熊熊大火。
時間是7時25分。
“赤城號”被兩枚炸彈擊中，一枚落在飛行甲板中部，一枚落在飛行甲板後段，炸彈把飛行甲板穿了兩個大洞，大火又引爆了剛才隨手放在庫角的800公斤重的高爆炸彈。炸彈一枚一枚地爆炸，熾熱的大火從艙內噴出，整個機庫成了一片火海。
20分鍾後“赤城號”全麵失去作戰能力，與外界通信聯絡中斷，南雲撤離“赤城號”，將司令部遷到巡洋艦“長良號”上。
“蒼龍號”中彈3枚，大火蔓延到油庫和彈藥庫，誘發陣陣爆炸。中彈20分鍾後，艦長下令棄艦。
惟一沒有受傷的是航空母艦“飛龍號”，艦長加來上男大佐親自操縱方向舵，先後躲開26枚魚雷和70枚炸彈的攻擊。這隻艦是第2航空戰隊司令官山口多聞的旗艦。
7時58分，18架俯衝轟炸機和6架零式戰鬥機從“飛龍號”的甲板上升空。曾偷襲過珍珠港的老兵小林道夫海軍大尉機警地尾隨著一些直接返回“約克城號”的美國飛機，向“約克城號”靠近。
在30海裏處，被18架野貓戰鬥機發現，零式戰鬥機與野貓戰鬥機進行空戰。飛到“約克城號”上空時，已有10架轟炸機被擊落。剩餘的8架轟炸機衝向“約克城號”。