6月4日黎明，日出前半小時。美國海軍第十七特混編隊指揮官弗萊徹少將，從“約克城”號航空母艦上派出了十架偵察機去搜尋敵人的艦隊。不過首先發現日本航空母艦的，還是從中途島起飛的“卡特萊納”式水上偵察機。
清晨五時二十五分，霍華德·艾迪上尉駕駛一架從中途島起飛的“卡特萊納”水上偵察機巡視，當他發現那一大批灰色的艦隻時，著實嚇了一跳。“發現敵人的航空母艦”艾迪用無線電向基地報告。弗萊徹少將接到敵人艦隊的確切情報後，卻不能從他所乘坐的“約克城”號航空母艦上派出艦載機首先出擊。因為他所派出的十架偵察機的燃油快用完了，需要把飛行甲板空出來，先讓偵察機降落。
清晨六時零七分，弗萊徹少將向“企業”號航空母艦上的斯普魯恩斯少將發去電報，命令第十六特混編隊首先向敵艦隊發起空襲，第十七特混編隊隨後跟上。斯普魯恩斯少將本來計劃再航行三小時，也就是當天上午九時，再出動艦載機進行攻擊。因為到那時，他同日本艦隊之間的距離，將縮短到一百六十公裏以內。這對於航程有限的艦載攻擊機和戰鬥機，作戰比較有利。
不過他的參謀人員提出了不同意見。特混編隊參謀長米切爾·布朗寧上校認為，如果把出擊時間定在上午七時而不是九時，那麼就能使出擊的飛機在日軍航空母艦最脆弱的時刻，也就是在他們空襲中途島的飛機返回母艦降落的時刻，正好抵達敵艦上空發動攻擊。
經過深思熟慮，他作出的關係此次戰役勝敗的第一個重要決定，是采納布朗寧上校的意見，把出擊時間提前到上午七時；第二個同樣重要的決定，是命令兩艘航空母艦上的大部分飛機出動參加襲擊，把寶一次全部都押上。
上午七時零二分，總共二十九架魚雷攻擊機，六十七架俯衝轟炸機，在二十架戰鬥機的護航下，離開航空母艦，遠程奔襲敵人艦隊。
他們的油料隻夠勉強返航，但是飛行勇士們義無反顧，殺奔戰場。斯普魯恩斯少將隻留下八架“無畏”式俯衝轟炸機和三十六架“野貓”式戰鬥機來保衛自己編隊的安全。
弗萊徹少將率領的第十七特混編隊跟在斯普魯恩斯後邊大約十五海裏。他過了一個半小時才命令飛機起飛。他的“約克城”號航空母艦載機九十五架。等到十二架“毀滅者”式魚雷攻擊機和十七架“無畏”式俯衝轟炸機在六架“野貓”式戰鬥機的護航下飛離“約克城”的甲板，已經是上午九點零六分了。
南雲突擊艦隊在送走襲擊中途島的第一波攻擊機群後，第二批突擊飛機立即從各航空母艦的下層甲板，一架一架地由升降機提升到上層的飛行甲板上。
當四艘航空母艦的飛行甲板再次停滿飛機時，初升的紅日已經完全躍出了太平洋海麵。這次留在航空母艦上等待出擊的第二批飛機，大部分是中途島上的B5N2“九七”式艦載魚雷攻擊機。魚雷機的飛行員是日本海軍航空兵的精華。盡管這支日本艦隊的所有指揮官都確信，在附近根本不可能有美國的航空母艦；根據山本大將的估計，美國航空母艦最早也要到六月七日，才能趕到中途島海域。不過南雲中將為了防備萬一，還是把他最優秀的飛行員留在艦上，以便對付美國艦隊的進攻。
6月4日淩晨六時，南雲的旗艦“赤城”號發現空中有美國偵察機在活動。它就是艾迪上尉駕駛的“卡特萊納”水上飛機。日軍艦隊開始感到不安，擔心遭到隨之而來的空襲。
七時，南雲中將收到了友永大尉發來的關於需要對中途島施行第二次攻擊的電報。他還來不及作出反應，七時十分，處於艦隊最前方的一艘驅逐艦打出了旗語：“發現敵機。”信號旗在日艦桅杆上升起，警報聲響徹海空。 六架“複仇者”魚雷攻擊機和四架Ｂ－26轟炸機在“赤城”號航空母艦右舷出現。這是從中途島起飛的第一批美國攻擊機群。它們從一千二百米高度的雲層中鑽出。日本主力戰艦重炮齊鳴，高射炮的連發炮火震耳欲聾，二十多架“零”式戰鬥機撲來阻擊。
美國飛機列成單行，不顧猛烈的炮火，朝著“赤城”號撲來。“零”式戰鬥機迅速擊落了三架，其餘七架魚雷攻擊機繼續向日本航空母艦進逼，越飛越近。它們輪番丟下魚雷，又躍上高空。其中一架幾乎同“赤城”號相撞，接著被擊中焚毀。
這十架美國轟炸機的全體飛行人員，在沒有戰鬥機護航下，自知難以生還，但仍然視死如歸。隻可惜它們發射的魚雷都錯過了目標，無一命中敵艦。最後隻有三架飛機返回了中途島。
遭到美機首次空襲之後，南雲判定這些美國飛機必定來自中途島。他感到必須盡快把中途島的航空力量消滅幹淨。南雲終於下令再次進攻中途島。為了空襲中途島，就要把已經停放在“赤城”和“加賀”號航空母艦飛行甲板上的飛機，重新用升降機運回下層甲板，以便將掛在機身下的魚雷卸下，再往飛機上配掛炸彈。為魚雷機改掛炸彈的命令，是七時十五分發出的。當機械兵把這些飛機從飛行甲板上往下降時，航空母艦上到處是一片緊張混亂的氣氛。南雲改裝魚雷機的決心，實際上是他的參謀長草鹿替他下的。因為草鹿認為，對他們的航空母艦來說，此時來自中途島的飛機，比可能碰上的美國艦隊更危險。
但是，艦上飛機換裝炸彈的作業開始後還不到十五分鍾，就傳來了令人震驚的消息：巡洋艦“利根”號派出的一架遠程偵察機，完成了五百公裏的弧形搜索任務準備返回時，突然發現十艘美國軍艦正在向東南方向破浪前進。這時大約是上午七時三十分。
南雲接到這個報告大吃一驚。航圖室迅速計算的結果表明，美國艦隊離他隻有三百二十公裏。如果那十艘艦隻中有敵人的航空母艦的話，那麼南雲的四艘航空母艦此刻就處於相當不利的境地。因為“赤城”，“加賀”兩艘航空母艦上的魚雷機，幾乎全在下層甲板上重新裝掛高爆炸彈，無法立即派他們出發去攻擊美國艦隊；而對方的航空母艦卻可能已經派出飛機前來攻擊。
七時四十五分，南雲下令暫停對魚雷機的換彈，他需要重新估計一下形勢。但是日本人還來不及做出新的決定，美國飛機的第二次襲擊又開始了。來的是中途島的後續轟炸機。領頭的是十六架“無畏”式俯衝轟炸機，它們當然不是日本“零”式戰鬥機的對手。還沒有靠近敵人的航空母艦，就被擊落了一半；其餘的也被驅散。接踵而至的是十五架時速四百七十五公裏的B-17“空中堡壘”轟炸機。它們從六千米高空朝海麵星羅棋布的日本艦隊水平投彈。可惜由於瞄準精度太低，一顆也沒有命中。接下來的十一架“守護者”俯衝轟炸機，也沒有戰鬥機的護航，在敵人的防空炮火和戰鬥機的阻擊下，未能突破敵艦防線。
中途島美機對南雲艦隊的這兩次攻擊，雖然都未成功，但是卻打亂了日本人的作戰計劃。美軍多機型的輪番進攻，先是魚雷機，再是俯衝轟炸機，還有高空重型轟炸機，雖然未給日本艦隊造成損害，卻給南雲很大的壓力，使他感到中途島基地的厲害。同時，就在美機第二次襲擊的高潮中，八時零九分，南雲收到了“利根”號派出的偵察機發出的令他寬慰的消息：“十艘美國軍艦乃是五艘巡洋艦和五艘驅逐艦。”沒有航空母艦的美國艦隊是無法構成危脅的。於是，南雲下令繼續準備攻擊中途島的陸地目標。
但是十分鍾後，南雲收到了另一個危險的消息：“利根”號派出的偵察機用無線電報告：“發現敵艦隊，後方似乎隨有航空母艦。”艦隊的參謀們不相信，因為附近如果真有美國的航空母艦，他們早該發動進攻了。但是草鹿少將相信這個報告，南雲也相信。這位日本海軍中將根據經驗判斷：具有這樣規模的敵人艦隊，至少會有一艘航空母艦。
他下令立即停止給飛機裝掛炸彈，並換掛魚雷他要馬上發起對美國艦隊的攻擊。麵對美軍航母的威脅，日本人隻得把中途島暫時丟開了。換掛魚雷的緊急命令，使日本航空母艦的甲板上更加混亂。為了爭取時間，卸下的炸彈，都堆放在甲板上。
八時三十分，襲擊中途島返回的友永機群，已飛抵日本艦隊的上空。現在，南雲處於進退兩難的困境，他派往中途島的第一批突擊飛機，已經返航，需要立即讓他們在母艦上降落；第二批突擊飛機還未能起飛。還有那些保護航空母艦的“零”式戰鬥機，燃料快要用完了，也要降落加油。
要不要把飛行甲板上的攻擊機派出去攻擊敵艦呢？這些飛機還沒有換裝魚雷，隻能用裝在彈架上的殺傷力較低的炸彈去空襲，而且也沒有戰鬥機護航。而沒有戰鬥機護航的轟炸機去攻擊防衛森嚴的航空母艦，恐怕隻會落得個同剛才那些美國飛機同樣的下場。
這時如果馬上發動進攻，艦上的跑道被起飛的飛機占用，那麼油箱空空的友永機群，就無法返回母艦，日本海軍就將白白損失幾十名最優秀的飛行員。
經過短暫而艱難考慮，草鹿決定讓飛機先降落加油，於是停在“赤城”和“加賀”兩艘航空母艦甲板上的飛機再次入庫，給急待補充油料的“零”式戰鬥機和從中途島歸來的精疲力盡的襲擊者騰出地方。這一大批飛機，一架接一架著艦，總共花了四十分鍾的時間。當最後一架飛機的輪子觸到甲板時，已經是上午九時十八分了。
這時，南雲中將命令突擊艦隊把時速增至三十海裏，把前進方向從東南改為東北，暫時撤離美軍艦隊所在的方向。他要等艦上的飛機重新裝備好，再用他那龐大的海空力量，給美國的航空母艦以致命的打擊。
日軍四艘航空母艦上的人員，都在拚命地為三十六架俯衝轟炸機、五十四架魚雷攻擊機和為他們護航的戰鬥機，做著出擊前的最後準備。這項準備工作需要延續一個小時。時間緊迫，來不及把卸下的炸彈送到下麵的彈藥庫中去，而是匆忙地把它們堆在一邊。日本人怎麼也想不到，他們這樣賣力地擺弄魚雷和炸彈，恰恰是在安排自己的墳場！
當日本人避開美國艦隊的方向，在自己的航空母艦上埋頭為進攻飛機作準備的時候，美國飛機還是找到頭上來了。
九時二十五分，從美國“大黃蜂”號起飛的十五架“毀滅者”魚雷攻擊機，低低掠過海麵朝“加賀”號右舷飛來。他們經過二小時又二十分鍾的遠程飛行，已經相當疲勞了。更糟的是，為他們護航的十架“野貓”戰鬥機，此刻也同他們失散了。“野貓”為了占據對“零”式戰鬥機的有利高度，一直在高空雲上飛行。當雲層下的魚雷機發現敵艦隊的時候，不得不在沒有戰鬥機護航下投入進攻。
幾十架“零”式戰鬥機向他們撲來，二十毫米的機炮噴出猛烈的炮彈，這些老式的魚雷機毫無還手之力。當空中十五個黑點中的最後一個，化為一陣輕煙消失時，在艦上觀戰的日本水兵欣喜若狂，狂叫喝彩。然而喝采聲未絕，在艦隊邊緣警戒的驅逐艦就接連發出緊急警報：“敵魚雷攻擊機正從低空飛向右舷！”“敵魚雷機逼近右舷！”
這時是上午九時四十分，從美國“企業”號上起飛的十四架“毀滅者”魚雷攻擊機，也抵達了日本艦隊上空。他們同樣與自己的護航戰鬥機失散了。盡管如此，他們還是奮不顧身地向“加賀”號航空母艦發動攻擊。發出的魚雷，幾次險些命中目標，但是在猛烈的防空炮火和敵人的戰鬥機的阻擊下，進攻又一次失敗了。隻有四架“毀滅者”死裏逃生，返回了中途島。
日本人還沒來得及喘一口氣，上午十時整，南雲艦隊便遭到了美國艦載魚雷機的第三次攻擊。這次是來自“約克城”號航空母艦上的十二架“毀滅者”魚雷機，有六架“野貓”戰鬥機護航。當他們逼近“蒼龍”號航空母艦時，數量遠比“野貓”多的“零”式戰鬥機，已經把美國的護航機團團圍住。失去護航的美國魚雷機，對“蒼龍”號的攻擊，也未能取得戰果。最後隻有兩架美國攻擊機，逃脫了被擊落的命運。其它美國飛機，全部喪身海底。
這樣，從三艘美國航空母艦上派出的四十一架魚雷攻擊機，損失了三十五架，隻有六架勉強返航。
6月4日從黎明到現在，日本人的運氣似乎好得不得了。美國近百架轟炸機和魚雷機發動的五、六個批次的輪番空襲，竟然全部落空，而自己卻落得個大敗而歸。
上午十時二十四分，南雲艦載飛機的全部出擊準備已經完成，第一架護航戰鬥機已經滑出甲板起飛。南雲突擊艦隊的飛機就要實現對美國航空母艦的毀滅性打擊了。
差不多就在這同一時刻，三十二架從“企業”號上起飛的美國海軍“無畏”式俯衝轟炸機，由克拉倫斯·麥克拉斯基少校率領，已經飛臨日本艦隊上空。這批俯衝轟炸機是早晨七點多鍾從“企業”號上起飛的，已經飛了近三個小時。由於南雲的突擊艦隊一度改變航向，麥克拉斯基飛到預定的海域沒有發現目標後，轉而向中途島飛去。可是到了中途島也沒有發現敵人，所以又朝北飛回來搜尋敵艦。
上午九時五十五分，他在高空發現了一艘掉隊的日本驅逐艦激起的白色浪花。這艘驅逐艦正朝東北方向行駛。他判定這艘日艦可能是要追趕他的航空母艦編隊，便悄悄地尾隨著它。
他跟在驅逐艦後麵飛行了二十分鍾，什麼也沒有發現。這時他的機隊的燃料已經減少到了危險的程度，再往前飛就回不去了。但是他們不甘心，仍然決定再往前飛一兩分鍾。這時是上午十時二十分。
就在這時，麥克拉斯基少校和他的“無畏”式俯衝轟炸機的飛行員們，從高空看到海麵上的日本航空母艦，正在掉頭轉到迎風的方向，準備讓艦上的飛機起飛。麥克拉斯基立即下達攻擊敵艦的命令。他命令理查德·貝斯特上尉率領的中隊去攻擊南雲中將的旗艦——“赤城”號航空母艦，威爾默·加拉赫上尉率領的中隊，跟隨他本人攻擊“加賀”號航空母艦。
一聲令下，早就渴望為珍珠港報仇的美國飛行員們，個個奮勇爭先，往日本艦隊俯衝下去。
對於任何一個俯衝轟炸機的飛行員來說，這都是一幅蔚為壯觀的景象：
在洋麵上陣容龐大的戰艦，組成一個巨大的環形隊列，在這護衛圈的當中，是四艘大型航空母艦。更妙的是，在艦隊的上方和周圍，連日本護航飛機的影子都沒有；所有的飛機都排列在航空母艦的甲板上，似乎對它們的危險處境一無所知。
俯衝下去的加拉赫上尉，瞄準了畫在“加賀”號航空母艦飛行甲板上的太陽旗，那血紅的太陽的直徑，足有十五米。他俯衝到五百米的高度，投下第一顆炸彈，然後急劇拉起飛機。他目不轉睛地盯著他投下的炸彈，終於看到它在“加賀”號的飛行甲板的後部炸開了。接著，又有三顆炸彈飛往這艘航空母艦，在飛行甲板的前中後部分別炸開。飛行甲板上那些排得整整齊齊等待起飛的飛機，以及上麵日本海軍航空兵優秀飛行員們，霎那間全部被漫天大火所吞沒。“加賀”油煙滾滾，船身被烈火烤得發黑，船艙裏不斷發生爆炸，整個航母被籠罩在一片火海之中。
“加賀”號航空母艦的命運，把在“赤城”號上目睹這一切的草鹿少將驚得呆若木雞。他沒有注意到俯衝轟炸機也在向他這艘母艦撲來。突然，一道明亮奪目的爆炸閃光，照得"赤城"號航空母艦艦橋上的日本軍官眼花繚亂。一支往上高竄的火柱將他們掀翻在地。幾乎同時，艦上火焰亂竄，濃煙四起。
俯衝轟炸機投下一枚接一枚炸彈，穿透“赤城”的飛行甲板，在艦體深處爆炸。艦上飛機及其炸彈和魚雷，接二連三連鎖爆炸，大火蔓延到胡亂堆放在甲板上的燃料和彈藥，再度引起大爆炸，把飛行甲板大塊大塊炸飛到空中。艦橋像在暴風雨中的樹梢那樣猛烈搖晃。幾秒鍾內，熾烈的大火從艙內騰起，四下蔓延，吞沒了飛行甲板上的飛機。船尾的舵機也失靈了。這艘幾分鍾前還威風凜凜的大型航空母艦，如今在大海上絕望地顛簸搖晃，把燃燒著的飛機從甲板上拋進沸騰的大海。火舌已經舔著艦橋上的玻璃窗。草鹿朝南雲喊道：“咱們得撤離啦！”但是南雲拒絕離開。成千加侖燃燒著的汽油流向下層甲板，放在機庫內的魚雷也開始爆炸了。一團團火球從艦身兩側噴射出來。南雲仍然不肯離開艦橋。