在南雲艦隊的後方，跟隨著山本親自指揮的艦隊，有“大和”、“長門”、“陸奧”3艘大型戰列艦，1艘輕型航空母艦“鳳翔”號，以及巡洋艦、驅逐艦、油輪等13艘。
此外，由“日向”號等4艘戰列艦、2艘巡洋艦和12艘驅逐艦組成的警戒部隊，在高須四郎中將的指揮下埋伏在山本以北500海裏處，為進攻阿留申群島的部隊擔任警戒與支援任務。
南雲部隊的任務是攻擊中途島，由第2艦隊司令近藤信竹中將統一指揮，分別由占領部隊、支援部隊、攻擊部隊組成。近藤的艦隻包括第3、第4、第5戰隊，共有驅逐艦、巡洋艦、戰列艦等15艘，以及艦載戰鬥機、轟炸機25架。攻擊和登陸部隊有陸軍1個聯隊3000餘人，海軍陸戰隊2個大隊近3000人。
山本遠征中途島，幾乎動用了日本全部海軍力量，與美國太平洋艦隊實力相比，占絕對的優勢。因此，山本和他的部下對拿下中途島，擊敗美太平洋艦隊充滿信心，他們都認為勝利在握，沒有失敗的理由。
在南雲部隊對中途島發起攻擊的前一天，擔負轉移美軍視線，迷惑美軍任務的日軍第5艦隊，對阿留申群島牽製性的攻擊戰打響了。
1942年6月3日，阿留申海麵烏雲密布、寒風凜冽，龜田率領的第2機動部隊正向阿留申群島唯一的美軍港口荷蘭港推進。
天氣稍微好轉起來，12架日軍轟炸機騰空而起，直撲美軍荷蘭港。由於大霧天氣，能見度極低，等到美軍雷達發現日機，拉響警報不到3分鍾，日機已呼嘯而來。空襲使美軍油庫著火，摧毀了部分兵營以及幾架美軍水上飛機。
第二輪攻擊機飛離甲板，對荷蘭港再度進行轟炸。此時，日機才發現，港口幾乎沒有停泊軍艦，機場上也隻有少數幾架水上飛機，幾乎是空港。
日軍空襲荷蘭港，美軍幾乎沒有作出任何反應，除了港基炮火有準備地進行反擊外，美艦隊根本未予理睬，更談不上分兵支援阿留申群島。
山本大將接到襲擊荷蘭港獲得成功的報告後，高興之餘生了幾分疑慮，他終於覺察出美國已經知道自己的戰略企圖，並且有了準備，所謂聲東擊西的計劃破產。於是，他下令細萱部隊停止進攻阿留申群島，迅速南下，協同主力準備與美國艦隊決戰。
此外，6月3日下午，美軍19架“飛行堡壘式”轟炸機飛過國際日期變更線，抵達日本護航艦隊上空，對日軍艦船發起攻擊，扔下的炸彈激起衝天的水柱。當天下午從中途島起飛的4架美軍飛機，奉命裝上魚雷，飛抵日本運輸艦隊上空，進行了第二次襲擊，掉下的魚雷擊傷了一艘油船。
這兩次襲擊的消息確實令山本感到震驚，他毫不猶豫地斷定入侵中途島的計劃已經暴露，但並沒有引起他過分不安。中途島隻是他精心設置的陷阱裏的誘餌，美海軍即便知道他攻擊的目標，也隻是比原計劃更早地把太平洋艦隊的主力引出珍珠港，而他尋找的正是要與太平洋艦隊決戰的時機。
他命令艦隊按原計劃繼續前進，準備在黎明時對那座環形珊瑚島進行空襲。
南雲航空母艦艦隊漸漸接近指定地點，此時，海上起著大霧，航空母艦不得不依靠探照燈照明，以避免互相碰撞，濃霧也使得南雲中將無法派出飛機，對周圍海域進行空中偵察。
南雲其實犯了一個致命的錯誤。在對中途島發起攻擊前，他沒有命令戰列艦和巡洋艦所載的十幾架飛機全部出動，對中途島四周的海麵作一次全麵的偵察，就自信地對戰前形勢作出判斷：敵人尚未發現我方的企圖，也未發現我機動部隊，沒有發現有敵機動部隊在我附近等。從而認為已萬無一失地確保他的突擊部隊不會遭到敵人的攻擊。
6月4日淩晨4時（中途島時間），擔任攻擊中途島任務的第1航母艦隊南雲中將下達了空襲命令。
位於中途島西北240海裏的水域上，南雲中將的航空母艦忙碌起來，耀眼的探照燈把整個飛機甲板照得如同白晝，飛機牽引的發動聲，響徹了寂寞的海域。攻擊中途島的128架飛機，半個小時內從4艘航母上紛紛起飛。
日機在空中排成兩個“V”字隊形，由友永海軍中尉率領的“九九式”轟炸中隊突擊在最前列，風馳電掣般地向中途島猛撲過去。
第一攻擊波的飛機走了10分鍾，日本軍艦上又拉響了空襲警報，第二攻擊波的108架飛機迅速從機庫提升到飛機甲板。
在美軍中途島的簡易機場上，接到命令的美軍飛機，趁日本人來襲擊之前迅速飛往空中。美、日空軍展開一場激烈的空戰。
友永中尉率領的轟炸機，從1萬多英尺的高空對中途島進行轟炸，摧毀了水上飛機庫，炸燃了沙島上的儲油罐和醫院。
與此同時，美軍一架由蔡斯海軍上尉駕駛的“卡塔利娜式”水上偵察機，正在規定的搜索區域向西北方向飛去。清晨5時45分，他向指揮部發出電報：“大量敵機飛向中途島，方位320度，距離150英裏。”由艾迪海軍上尉駕駛的PBY飛機，借著雲層的掩護，發現了離他僅僅20英裏海麵上南雲中將的突擊部隊。他一麵報告，一麵躲進雲層，躲避敵機的攻擊，發出了美軍早就等待的報告：“兩艘航空母艦，兩艘戰列艦，方位320度，距離180英裏，航向135度，速度每小時25海裏。”
尼米茲上將接到這份報告後，滿臉笑容。現在，太平洋艦隊司令部可以在作戰地圖上，準確地標上日軍艦隊的位置（這份偵察報告與羅徹福持中校的估計隻差5英裏）。這為美軍飛機轟炸南雲中將的航母，提供了具體的攻擊數據。
由中途島起飛的27架“野貓式”戰鬥機和海軍陸戰隊的“水中式”戰鬥機，於6時16分在距中途島30海裏的上空與空襲中途島的日機展開激戰。美軍飛行員大多是剛從航校畢業的新手，幾個月前他們還是普通的出租車司機、工人或農民，比起日本的飛行員，無論經驗還是技術都相差甚遠。美軍戰鬥機撲上去，還未等到接近對方的轟炸機群，技術熟練的日軍戰鬥機已攔截上來，在發動機的呼嘯聲中，17架美軍飛機被擊落，7架被擊傷。日本30架“零式”戰鬥機，隻有9架被擊中。
但美軍飛行員作戰非常勇敢，第一攻擊波的飛機作戰不順利，第二攻擊波又接上去。海軍陸戰隊的“無畏式”俯衝轟炸機、“複仇者式”魚雷轟炸機、陸軍的B-17堡壘式轟炸機，一批又一批飛臨日艦上空，他們低低地飛入日艦密集的炮火之中，勇敢精神大大超過飛行技術。盡管美軍飛機沒有命中目標，自己的許多轟炸機被日艦、日機擊落，但完全打亂了南雲的作戰計劃，日軍不得不因急於躲閃而亂作一團。
日軍對中途島完成第一次空襲後，緊接著準備第二次空襲。但是按原先的作戰安排，第二次襲擊的目標是美軍艦艇。93架準備起飛的飛機載著的是魚雷和穿甲彈。
南雲中將接到空襲中途島的日機報告，需要進行第二次空襲，而此時南雲並沒有發現美軍艦隊的蹤跡，便斷定襲擊日艦的飛機都來自中途島，於是命令將飛機拖進底下的機庫裏，卸下魚雷和穿甲彈，重新換上高爆炸彈，集中轟炸中途島美軍機場。
7時15分，第二批飛機換上炸彈準備起飛時，南雲突然接到“利根”號水上偵察機的報告：“發現敵軍艦10餘艘，位於中途島西北240海裏。”這一消息如晴天霹靂，南雲中將頓時亂了陣腳，他萬萬沒有料到美軍艦隊都埋伏在自己周圍。現在，他迫切需要弄清楚，美軍艦隊中有沒有航空母艦。於是，一架快速水上飛機被派去偵察。同時，南雲命令艦載飛機又卸下炸彈，再重新掛裝魚雷和穿甲彈，預備緊急襲擊美軍艦隊。
擔任第一攻擊波的日軍飛機陸續返航，需要降落加油。如果耽擱了時間，這些飛機會因燃料燒盡掉進海裏。南雲中將隻好下令，先讓第一次襲擊中途島的飛機降落，加油和重新裝彈，然後起飛執行襲擊海軍的任務。
這樣就必須把已經拉上甲板準備第二次襲擊中途島的飛機，又放回甲板下麵的機庫內。升降機緊急啟動起來，把一架架飛機吊進機庫，累得疲憊不堪的甲板人員，把更多的高爆炸彈裝進卡車拖到甲板上來。由於反反複複地換裝炸彈，也就沒有人力和時間顧得上把準備進行第二次襲擊的飛機上卸下的高爆炸彈，重新存在安全的彈藥庫，隻是零亂地堆在飛機庫裏，許多還裝著引信。
第二攻擊波飛機又回到機庫。剛降落的飛機開始加油，日軍航空母艦的甲板上一片忙亂，油管彎彎曲曲地伸過甲板，彈藥被推了上來，給飛機重新裝上炸彈。
由中途島方向飛來的美機再次出現在日軍艦隊上空，日本戰鬥機立即迎上去。這是美軍海軍陸戰隊的16架SBP型俯衝轟炸機群。在日機有效的攔擊下，日軍艦隊未受到絲毫損失。
日軍偵察機給南雲發來了發現美軍航空母艦的報告。
南雲中將立刻下令，各航空母艦上的艦載飛機，加快卸下炸彈換裝上魚雷和穿甲彈，準備攻擊美軍的航空母艦。
當日本人還在手忙腳亂地準備時，美軍轟炸機和魚雷已找上門來，發起對日本艦隊的猛烈轟擊。