南雲權衡再三，舉棋不定，終於決定采取第二種方案。按理，這是一種危險的方案，但卻認為這是正統的戰略戰術。他希望畢其功於一役，而又盡可能減少損失。然而他忽視了時間因素，也許是不太相信美國艦隊能利用時間差來抓住稍縱即逝的戰機。就在這短短的1小時內，戰局急轉直下，幸運女神給處於劣勢的美國人助了一臂之力。
由於弗萊徹和斯普魯恩斯的兩支特混編隊都保持無線電靜默，尼米茲在關鍵時刻幾乎收不到來自前線的隻言片語。一位軍官回憶說：“尼米茲故作鎮靜，但實際上相當激動，我從未見他那麼激動過。”尼米茲責問柯茨少校：“為什麼收不到電報？為什麼聽不到一點情況？”柯茨無可奈何地回答：“不知道。”但他並不想發出催問電報，尼米茲也同意這種做法。尼米茲仍舊靠破譯日軍偵察機發出的信號來了解美航空母艦的情況。
近9點鍾，日機飛行員用無線電向日艦隊報告：“10架敵魚雷機正朝你飛來。”尼米茲判定，這些飛機顯然出自美航空母艦。他繼續分析：此時，南雲或許正準備用後備飛機發動攻擊，或者正在回收從中途島返航的飛機。果真如此，10點前南雲將不會發動進攻。
美軍終於抓住了千載難逢的戰機。10點零8分，“企業”號終於意外地打破了沉默。太平洋艦隊通信中心聽到美航空母艦電台在頻繁地呼叫：“立即進攻！”有人聽出這是邁爾斯·布朗寧上校的聲音，他是斯普魯恩斯的參謀長。布朗寧的呼叫聲表明美飛行員已經發現敵艦，並得到了作戰命令。
在此之前，由弗萊徹和斯普魯恩斯率領的第16、17特混艦隊，一直在中途島東北海麵耐心地靜候日艦的到來。
8點左右時，籌劃已久的對日攻擊戰開始了。從“大黃蜂”號航空母艦上起飛了35架“無畏”式俯衝轟炸機、15架“複仇者”式魚雷機和10架“野貓”式戰鬥機。從“企業”號航空母艦起飛了33架“無畏”式俯衝轟炸機、14架魚雷機、10架戰鬥機。8時40分，17架“無畏”式俯衝轟炸機、12架魚雷機和6架戰鬥機又從“約克敦”號航空母艦上起飛。
然而，龐大的機群缺乏配合，編隊四分五裂。由於偵察機的失誤，一些美機來到預定海域卻不見南雲艦隊蹤影。有的飛行編隊與日艦行駛方向恰好南轅北轍。一隊由15架魚雷機組成的編隊，獨自向北搜索，終於發現了南雲編隊。不幸的是，這組美機燃油耗盡，而且無戰鬥機掩護。在舍生取義、勇敢地衝向目標的英雄壯舉中，被日軍“零式”戰機和高射炮火紛紛擊落。與此同時，由“企業”號起飛的14架魚雷機和由“約克敦”號起飛的12架魚雷機，在襲擊日艦“蒼龍”號和“飛龍”號的戰鬥中均遭重創，更為可悲的是，美機所投魚雷竟無一命中日航空母艦。
就在美軍敗局將定的時刻，卻出現了戲劇性的轉折。從“企業”號上起飛的33架“無畏”式俯衝轟炸機，在預定海域沒有發現目標，搜索了1個小時也一無所獲，由於燃料不足，正準備返航時，卻突然意外地發現了一艘日軍驅逐艦。美機飛行員認為，這艘驅逐艦或許能夠幫助他們找到日航空母艦，於是他們緊隨日艦而行。果然，在6，000米高空中，他們發現了由4艘航空母艦組成的蔚為壯觀的南雲艦隊。從“約克敦”號上起飛的17架俯衝轟炸機也發現了目標。這樣，美軍“企業”號的33架轟炸機以日軍“赤城”和“加賀”號為攻擊目標，而“約克敦”號的17架飛機，專門攻擊日軍“蒼龍”號航空母艦。
此時，日艦正處於極易受攻的境地，甲板上到處是魚雷、炸彈以及剛加好油的飛機，而且保護航空母艦的零式飛機已經全部升空，正在四處追殺美國魚雷轟炸機。這正是美軍求之不得的有利時機。於是，“無畏”式俯衝轟炸機開始了無畏的攻擊。
當然，如果起飛及時，甲板上的日機在5分鍾後即可完全升空，從而與美機展開空戰。但是，日軍錯過了這寶貴的5分鍾時間，招致了日本海軍350年來最大的悲劇。
當戰火正旺時，尼米茲的辦公室卻是一段長時間的沉默。他不停地讓萊頓通過熱線電話向羅徹福特發出詢問，美航空母艦部隊是否已向南雲艦隊發起攻擊，如已發起攻擊，日軍反應如何？
但是，羅徹福特雖然使用各種頻率進行了解，卻沒有得到任何消息。尼米茲認為，也許這時沒有消息反而是一件好事，如果敵艦沒有發報，可能是因為它再也不能發報了。
美軍飛行員猶如大發橫財一般痛快淋漓地輪番攻擊，連續投彈。頃刻之間，日艦上火光衝天，烈焰升騰，驚人的爆炸聲此起彼伏。
“赤城”號數分鍾內即告癱瘓，顛簸搖擺的甲板上一架架未能起飛的飛機，燃燒著滑進大海。南雲中將被迫放棄了旗艦，移至“長良”號巡洋艦上。“赤城”號於次日傍晚沉沒。
太平洋艦隊司令部的情報站從日艦報務員發報的指法，推測到南雲轉移了，因為此報務員不似原“赤城”號那位，而極像“長良”號巡洋艦的報務主任。
日軍“加賀”號此時也奄奄一息。當艦身發生巨大爆炸時，艦長死在艦橋上。兩小時後，這艘精銳的航空母艦成了一具殘骸。而另一艘航空母艦“蒼龍”號在棄艦令下達後，早子“加賀”號12分鍾傾覆沉沒。
頃刻之間，威武一時的南雲部隊隻剩下“飛龍”號航空母艦獨撐危局了。“飛龍”號的戰隊司令官山口多聞是一位以膽識和才幹著稱的海軍少將，他曾一度被認為是山本五十六司令官的接班人。此時，日本航空母艦編隊遭受的毀滅性打擊，令山口怒不可遏。他在接替了南雲的空中作戰指揮權之後，毫不猶豫地對美航空母艦發動了反擊。
10時40分，小林攻擊隊的6架飛機突破美艦載戰鬥機的攔截，向“約克敦”號航空母艦投擲炸彈。“約克敦”號艦身起火，鍋爐氣壓下降，失去航行能力。
不久之後，珍珠港情報站截獲一份日軍空中飛行隊長的電報：“我們正在攻擊敵航空母艦。”該飛行隊長命令手下的飛機連續實施攻擊。接著，弗萊徹打破無線電靜默，發回一份正規的密碼電報在中途島以北150海裏處遭到空襲。受傷後的“約克敦”號經過搶救之後，繼續航行，但在下午3時遭到日魚雷飛機的第二次攻擊。艦上的動力、照明和通訊係統盡遭破壞，左舷傾斜，在該艦即將傾覆之時，艦長被迫下令棄艦。
弗萊徹請求艦隊總司令尼米茲派出拖船，並要求第17特混艦隊設法保護和營救“約克敦”號。尼米茲答應了這一請求。他命令，在17特混艦隊全力營救航空母艦的同時，由斯普魯恩斯的第16特混艦隊繼續對日作戰。
“飛龍”號發動兩次進攻後，艦員們疲憊不堪，戰鬥力大減。但山口仍決定黃昏時再次出擊，給美艦隊以最後的致命一擊。正在這時，斯普魯恩斯派遣的一支俯衝轟炸機分隊神不知鬼不覺地衝向“飛龍”號。一連串重磅炸彈呼嘯而下，4彈命中目標。不久，“大黃蜂”號上的俯衝轟炸機和中途島、夏威夷起飛的B-17式飛機也趕來助戰。“飛龍”號在尚未對美艦造成致命一擊之前，先遭毀滅，於21時23分葬身汪洋。山口多聞將自己綁在艦橋上，隨艦沉入海底。“飛龍”號的沉沒，標誌著顯赫一時的南雲艦隊主力的徹底傾覆。
6月4日傍晚，尼米茲和他的參謀人員圍坐在一起，謹慎地回顧一天來的戰況。從迄今收到的電報看，美軍已經擊敗了南雲艦隊。但是，尼米茲仍在較為輕鬆的心情中期待著更為詳盡的報告。晚上10時，斯普魯恩斯發回消息：在17點到18點之間，第16特混艦隊航空大隊，襲擊了包括1艘航空母艦、2艘戰列艦、2艘以上重巡洋艦和一些驅逐艦在內的日本海軍艦隊。日軍航空母艦多次被500和1，000磅炸彈擊中，最後猛烈燃燒；至少有1艦戰列艦4次被炸起火；1艦重巡洋艦也被炸燃燒。17點50分，位於北緯30度41分、西經177度41分，航向西，航速15節的敵軍艦隊，同東南方駛來的驅逐艦會合。3艘遭襲擊的航空母艦，仍在燃燒並向東南方向航行……尼米茲看到這裏，臉上終於溢出輕鬆的微笑。多日來疲憊的麵龐一下子變得容光煥發、喜氣洋洋。他斷定，日軍4艘燃燒的航空母艦已經無可救藥，勝券已從敵人手中奪了過來。雖然雙方這次交火的有效時間隻有5分鍾，但就在這5分鍾裏，日本海軍的中堅力量遭到摧毀，美軍扭轉了不利局麵，使太平洋戰局出現了重大轉變。