5月20日，日本海軍力量在柱島集結。這支強大的船隊擁有11艘戰列艦、22艘巡洋艦、8艘航空母艦、兩艘水上飛機航空母艦、65艘驅逐艦和21艘潛艇。連同後勤補給船隻，總共達200多艘。
而美國方麵此時所能集結的，僅有3艘航空母艦、3艘巡洋艦和14艘驅逐艦。日本人認為勝利唾手可得，他們決心繼珍珠港之後，再給美國海軍以毀滅性打擊。
按照聯合艦隊的作戰計劃，日本進攻中途島的艦隊分為4支：
山本親自率領主力艦隊，準備同美國艦隊進行決戰；
南雲忠一率領的第一航母艦隊擔任主攻，它擁有“赤誠”、“加賀”、“飛龍”、“蒼龍”4艘大型航空母艦，搭載261架飛機。另外，每一艘航母上還有36架基地空軍的驅逐機，準備在占領中途島以後布置在島上；
另一支艦隊護送12艘運輸艦，載著5800名官兵，準備在中途島登陸；
15艘潛艇組成的先遣隊，要在中途島和夏威夷之間的水域布置兩道警戒線，以監視美國艦隊的活動。
此外還有3支艦隊，開到北麵去攻打阿留申群島。
5月27日清晨6時，南雲率航母艦隊徐徐開出瀨戶內海，朝豐後水道駛去。次日，計劃進攻阿留申群島的艦隊從九州北端港口出發。6月3日，襲擊中途島的前一天，從兩艘輕型航母上起飛的飛機，將轟炸荷蘭港，以便將尼米茲的注意力引向北麵。
在南邊，滿載5800名進攻中途島士兵的運輸艦，也從馬裏亞納群島中的塞班島出發了。隨同這些艦隻的還有一艘輕型巡洋艦、一艘油船以及一支由4艘重型巡洋艦組成的掩護艦隊。
5月29日晨，聯合艦隊的其他艦隻也從瀨戶出發，打頭的是近藤信竹的中途島進攻艦隊，其後是山本率領的由34艘艦隻組成的主力艦隊。
日本聯合艦隊司令部選定6月7日作為N日，那時的月光將對夜間行動和登陸極為有利。預定在此前兩天，當南雲的艦隊仍在中途島西北250海裏處的時候，即發起大規模空襲，不僅要摧毀島上的空軍力量和防禦工事，而且還將擊沉附近的美國戰艦。
6月7日，天一亮，日本海軍陸戰隊將在栗田少將的重型巡洋艦支援大隊的炮火掩護下，對沙島和東島發起猛攻，並強行登陸。在實施入侵的整個過程中，近藤中將的主要入侵艦隊將控製住中途島南方和西南方的進路。日本聯合艦隊司令部指望美國人會對中途島和阿留申群島的同時進攻搞得懵頭轉向，以致在日本軍隊完成登陸之前，來不及組織認真的抵抗。
盡管日本人玩弄詭詐騙術，想迷惑美國人，但美軍司令部對這暗中的一切，了解得一清二楚。尼米茲之所以如此明了，完全歸功於他的作戰情報處。該處約有120名工作人員，由約瑟夫.羅奇福特少校領導。這些情報人員日以繼夜地在海軍大院的地下室裏工作。日本聯合艦隊發出的密碼電報，百分之九十都被這些情報人員破譯了。在某種意義上說，有關中途島的一些情報，是日本海軍送上門的禮物。
5月20日，日本發出的一封長電被美國方麵截獲。關於這次入侵行動的來龍去脈全都清楚了。山本的電報有15%沒有收到，但這次行動的規模是顯而易見的。唯一搞不明白的是這次行動的目標，因為電中隻提到“AF”。羅奇福特相當肯定地認為“AF”代表中途島。
尼米茲同意羅奇福特的看法，並親自飛往中途島，以確定要擊退一次大規模兩棲攻擊還需要什麼裝備，需要追加多少兵力。他把所能騰出來的每一架飛機都派到了中途島。尼米茲還把這個小島上的駐軍增至2000人，建立起三個弧形潛艇巡邏區，下令增設高射炮群。
為了證實“AF”的位置，尼米茲讓中途島發出一封假電報，明顯地抱怨蒸餾水廠受到破壞。日本人果然上了鉤，兩天後，他們電告東京說，“AF”的淡水供應已經少得可憐。經這一證實，尼米茲決定給日軍迎頭痛擊。
隨後尼米茲調兵遣將，盡管他隻有8艘巡洋艦、17艘驅逐艦和兩艘航空母艦，他必須對付山本五十六的挑戰。尼米茲召見指揮官弗萊徹和雷蒙.斯普魯恩斯少將，命令他們“用強大的攻勢最大限度的重創敵人”。要他們連續發動空襲，“並遵循盤算好了再去冒險的原則”。
在南雲的4艘航母離開瀨戶內海的次日，斯普魯恩斯乘“企業”號駛出珍珠港。構成第16特遣艦隊的其他艦隻是6艘巡洋艦和11艘驅逐艦。兩天後，弗萊徹也乘坐“約克敦”號航母率領兩艘巡洋艦和6艘驅逐艦出發了。靠著1400名工匠的超凡努力，預計要3個月才能修好的這艘航母，隻用了兩天就修好了。
同一天，行駛在南雲後邊600海裏的山本，收到了三封令他煩惱的電報。最使他不安的是，一艘在中途島附近水域巡邏的潛艇報告表明，中途島的美軍已處於嚴格戒備狀態，空中偵察十分頻繁；還可以看見島上有許多吊車，大概是在擴建防禦工事。山本要把這份情報轉給南雲，但他的作戰參謀堅持不讓用無線電聯絡。
3日傍晚，日艦隊迅速從西北方向向中途島聚攏，拂曉前就能抵達離目標200英裏的起飛地點。當時弗萊徹和斯普魯恩斯正在中途島東北方向300海裏之外的地方。統率這兩支特遣艦隊的弗萊徹判斷，偵察機發現的船隻，不過是日本的運輸艦而已，但這說明航空母艦就在它們後麵不遠的地方。晚上7時50分，他朝西南方向駛去。他深信次日將是“美國海軍史上最重要的日子”。到拂曉，他就能駛抵中途島北麵，恰好能襲擊日軍的進攻艦隊。斯普魯恩斯通過目視信號通知部下說，他們可能碰上占優勢的敵人，有四五艘航空母艦。因此這次戰鬥的勝利“對我國是極為重要的”。