作為對珍珠港事件的報複，從“大黃蜂”號航空母艦上起飛的美國B－25型轟炸機，於4月18日襲擊了東京等城市。這次空襲給日本造成的物質損失雖然微不足道，但對日本人自尊心的挫傷卻是無可估量的。這次襲擊，也更促使日本海軍大將山本五十六下了立刻展開對中途島進攻的決心，摧毀美國的航空母艦艦隊，於是“米號作戰”計劃應運而生。
“米號作戰”計劃安排得十分狡猾，日軍打算分兵出擊，進攻中途島和北方的阿留申群島。企圖在攻占中途島前，誘使太平洋艦隊北上，然後在其回師南下時，由早就等候在途中的日本航空母艦和戰列艦與其決戰。這一計劃在出籠時，就遭到了日本軍方的強烈反對，但是山本五十六也不予退讓，堅持實施“米號作戰”計劃。在日本東京等城市遭到美國轟炸機的轟炸之後，日本民眾十分惶恐，紛紛要求與美國太平洋艦隊進行最後的決戰，於是在5月5號日本天皇宣布了批準實施“米號作戰”計劃的命令，日本海軍的戰前準備工作由此拉開了帷幕。
要實現這一計劃，首先就要拿下位於夏威夷群島東北方的美國重要的航空基地——中途島，並把它作為日軍的作戰基地。中途島位於太平洋中部，是北美和亞洲之間的海上和空中交通要道，由周長24公裏的環礁組成，陸地麵積約5.2平方公裏。該島距美國舊金山和日本橫濱均相距2800海裏，處於亞洲和北美之間的太平洋航線的中途，故名中途島。另外它距珍珠港1135海裏，是美國在中太平洋地區的重要軍事基地和交通樞紐，也是美軍在夏威夷的門戶和前哨陣地。中途島一旦失守，太平洋艦隊的大本營珍珠港也將危在旦夕。因此可以說，中途島成為美國的重要海軍基地及夏威夷群島的西北屏障。
進攻中途島的日本海軍，仍由聯合艦隊司令山本五十六統一指揮。日本海軍為了順利實行這一計劃，準備投入200艘艦船參戰，其中航空母艦8艘，水上飛機母艦5艘，戰列艦11艘，重巡洋艦13艘，輕巡洋艦9艘，驅逐艦68艘，潛艇24艘，掃雷艦5艘，運輸艦16艘，後勤補給艦21艘，飛機700架，陸軍8600人，海軍2.3萬人。
山本將這支龐大的艦隊根據作戰任務編為5支編隊：
一、前進掩護編隊，由小鬆中將指揮，有16艘潛艇。其任務是在珍珠港西南潛伏偵察和攻擊。
二、航空母艦第一機動編隊，由南雲中將指揮，有4艘大型航空母艦，2艘戰列艦，2艘巡洋艦和12艘驅逐艦。其任務是對中途島進行登陸前的空襲並給予美國艦隊以致命打擊。
三、占領中途島編隊，由近藤中將指揮，有1艘小型航空母艦，2艘水上飛機母艦，2艘戰列艦，6艘巡洋艦，11艘驅逐艦和4艘掃雷艇，以及12艘運輸船，運載5000名士兵。其任務是登陸中途島。
四、進攻阿留申群島編隊，由細萱中將指揮，有2艘輕型航空母艦，1艘水上飛機母艦，7艘巡洋艦和12艘驅逐艦。其任務是在主力艦隊進攻中途島之前，攻占阿留申群島的阿圖島和基斯卡島，以吸引美軍艦隊北上，起到牽製對方的作用。
五、主力編隊，包括航空母艦第二機動編隊和阿留申警戒編隊。其中航空母艦第二機動編隊位於南雲編隊後方，由山本海軍大將親自指揮，有3艘戰列艦，1艘輕航空母艦，2艘水上飛機母艦，1艘巡洋艦和9艘驅逐艦。阿留申警戒編隊位於山本以北500海裏處，由高須中將指揮，有4艘戰列艦，2艘巡洋艦和12艘驅逐艦，為細萱中將的阿留申群島編隊擔任警戒和支援任務。主力編隊轄中途島進攻編隊和第一機動編隊；北方編隊轄第二機動編隊和阿留申進攻編隊；另外還編有先遣（潛艇）部隊和岸基航空部隊由聯合艦隊總司令山本五十六海軍大將統一指揮。5月26～29日各編隊先後由本土起航，預定於6月4日對中途島發起進攻。
5月27日，日本海軍節這一天，清晨6時整，由南雲中將率領航空母艦艦隊，徐徐開出了日本瀨戶內海海軍基地，它們是這次中途島之戰的主力。然後，其他各艦隊分別逐次地從各自的錨地起航。此時的山本五十六和日本海軍的將領們對擊敗美國太平洋艦隊，拿下中途島充滿信心。
在日本海軍積極備戰時，美國人也沒有閑著。美國海軍情報局在與英國以及荷蘭相關部門緊密合作下，開始成功地解讀日本海軍主要通訊係統JN－25的部分密碼。到了5月上旬，盟軍在破解JN－25上取得了重大的突破，並由此得到了窺探日本海軍計劃的能力。JN－25讓盟軍得悉“AF方位”將會是日本海軍的下一個攻擊目標，然而盟軍卻一時破解不到“AF方位”的具體位置。一些美軍的高層將領認為“AF方位”便是中途島，另外一些則認為是阿留申群島。正當美軍高層為此傷透腦筋的時候，一名年輕軍官卻想到了一個能夠確認“AF方位”到底為何方的妙計。他要求中途島海軍基地的司令官以無線電向珍珠港求救，說中途島上的食水供應站出現了問題，導致整個中途島麵臨缺水的危機。不久後，美國海軍情報局便截獲到一則JN－25信息，內容果然提到了“AF方位”出現缺水問題，於是“AF方位”就被證實是中途島，也就是日本海軍的下一個攻擊目標。