7時15分，南雲下令將在甲板上已經裝好魚雷的飛機送下機庫，換裝對地攻擊的高爆炸彈。不久後，南雲突然接到“利根”號巡洋艦派出的一架偵察機發來“發現敵10艘軍艦，距中途島240海裏”的報告，南雲沒料到美軍艦隊埋伏在那裏，他要這架偵察機查明，那支艦隊是不是有航空母艦，同時命令暫停對魚雷機的換彈。8時10分，那架日軍偵察機終於給南雲發來了“美艦為5艘巡洋艦和5艘驅逐艦”的報告，南雲這才鬆了口氣。日軍參謀長草野主張對中途島進行第二波的攻擊，回頭再來對付這10艘軍艦組成的普通艦隊。於是南雲下令繼續對魚雷機換裝炸彈。然而，幾分鍾後，日軍偵察機又發回了一份語意模糊的電文：敵艦似乎由1艘航空母艦殿後。這使南雲麵臨著一個選擇，一是馬上動用第二波飛機發動一次進攻，但它們大部分都已裝上了準備轟炸中途島的炸彈，而且，如果是即刻起飛，第一波襲擊中途島的飛機已返航，它們的油快用完了，如果等第二波飛機起飛後再讓第一波飛機降落，那麼第一波飛機上的油不會讓它們有等待的時間，它們將掉進海裏。二是在發起攻擊之前，回收第一波機群以及正在為艦隊護航的戰鬥機，以便重新裝滿彈藥和油料。這樣將可能發動一次較強的攻勢，但這至少需要1個小時的時間，美軍飛機完全有可能利用這段時間發起襲擊。
權衡再三，南雲最終決定采取第二種方案，一種危險的方案，但他決定賭上這一次，他也許不相信美軍艦隊能抓住這稍縱即逝的戰機。南雲下令各艦將已換裝上炸彈的飛機再次送回機庫重新改裝魚雷，收回中途島歸來的第一波飛機，並命令艦隊以30節的航速向北撤離，以避開再來攻擊的美軍飛機，並取得有利陣位。命令下達後，各艘航空母艦一片忙亂，地勤人員拚命地給魚雷機卸掉重磅炸彈，重新裝上魚雷。卸下來的炸彈來不及送至彈藥庫，任意堆放在機庫旁。
此時，在中途島東北海麵，由斯普魯恩斯少將和弗萊徹中將率領的第十六、十七特混艦隊，正在等待著時機到來。6月4日拂曉，當中途島派出的“卡塔林娜”式偵察機發回發現日軍航空母艦的報告時，弗萊徹和斯普魯恩斯也接收到了。於是，弗萊徹命令斯普魯恩斯趕緊向南航行，在確定發現敵方航空母艦位置時，即果斷發起攻擊。斯普魯恩斯推算南雲艦隊在他的艦隊偏西大約200海裏處，而且根據中途島的戰況情報估算，攻擊中途島的日機大約在9時左右就能完成攻擊，回到航空母艦加油。機不可失，斯普魯恩斯果斷地下達了作戰命令。7時06分，第十六特混艦隊兩艘航空母艦上的飛機開始起飛。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”式魚雷攻擊機和10架“野貓”式戰鬥機。從“企業”號航空母艦上起飛了33架“無畏”式俯衝轟炸機、14架“複仇者”式魚雷攻擊機和10架“野貓”式戰鬥機。8時40分，第十六特混艦隊西麵15海裏處的第十七特混艦隊的17架“無畏”式俯衝轟炸機、12架“複仇者”式魚雷攻擊機和6架“野貓”式戰鬥機也飛離了“約克城”號甲板。
然而，美軍龐大的機群缺乏配合，編隊四分五裂。由於南雲轉向航行，一些美機來到預定海域卻不見南雲艦隊蹤影。幸運的是，由“大黃蜂”號起飛的15架“複仇者”式魚雷攻擊機組成的編隊，終於在9時25分發現了南雲艦隊。可是他們的燃油即將耗盡，而且沒有戰鬥機護航。在自殺式攻擊中，被日“零”式戰鬥機和高射炮火紛紛擊落，30名飛行員除1人生還外全部遇難。緊接著，由“企業”號起飛的14架“複仇者”式魚雷攻擊機和由“約克城”號起飛的12架“複仇者”式魚雷攻擊機也發現了目標，但他們在攻擊日本海軍“蒼龍”號和“飛龍”號航空母艦的戰鬥中均遭重創，損失了20架魚雷機，更可悲的是，美機所投魚雷竟無一命中日本航空母艦。此時，南雲已完成了出擊準備，102架飛機組成的日軍艦載機攻擊隊已排列就序，整裝待發，美國航空母艦眼看將遭到重大打擊。
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架美軍“無畏”式俯衝轟炸機，在預定的海域沒有發現目標，正當他們準備返航時，卻意外地發現了1艘日軍驅逐艦，領隊麥克拉斯基少校意識到，這艘驅逐艦或許能夠幫助他們找到日本航空母艦，於是率隊緊隨日艦而行。10分鍾後，在6000米的高空中，麥克拉斯基他們發現了由4艘航空母艦組成的蔚為壯觀的南雲艦隊。從“約克城”號航空母艦上起飛的17架“無畏”式俯衝轟炸機，也緊隨其後飛抵日本航空母艦上空。