日軍以損失6架飛機的很小代價完成了第一次攻擊。7時整，友永大尉率第一攻擊波飛機返航，並向南雲中將發出了有必要進行第二次轟炸的電報。7時10分，首批從中途島起飛的10架美軍魚雷轟炸機出現在南雲艦隊的上空。美軍飛機排成單行，撲向日航空母艦。在日軍戰鬥機瘋狂的截殺和日艦猛烈的炮火下，美機如同飛蛾撲火，一架接一架墜入大海，一架跟著一架又撲上來，但卻無一命中目標。結果有7架美機被擊落。美機的攻擊使南雲相信中途島的防禦力量還很強，於是決定把原來準備用於對付美艦的飛機改為對中途島進行第二次轟炸。此時，他仍然沒有發現美軍艦隊。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。
7時30分，南雲突然接到“利根”號巡洋艦派出的一架偵察機發來的電報：“發現敵10艘軍艦，距中途島240海裏。”此報告如晴天霹靂，南雲萬萬沒料到美艦隊居然埋伏在那裏。他立即要這架偵察機查明，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。就在南雲等待“利根”號派出的那架偵察機的偵察結果時，空中又一次響起了空襲警報，40餘架從中途島起飛的美軍俯衝轟炸機，分成3個編隊向日本艦隊撲來。南雲急忙命令戰鬥機迎戰。美軍轟炸機由於沒有戰鬥機的護航，當然不是日本“零”式戰鬥機的對手。還沒靠近日軍航空母艦，就被擊落了一半，其餘的也被日機逐回，各艘日艦完好無損。
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。他的參謀長草野主張第二次攻擊中途島，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“敵艦似乎由一艘航空母艦墊後”。這下南雲麵臨一個選擇時機的問題。一是馬上動用第二批飛機發動一次進攻，但它們大部分都已裝上了準備轟炸中途島的炸彈，是先撤換彈藥，還是即刻起飛呢？而且，如果是即刻起飛，第一批襲擊中途島的飛機已返航，它們的油快用完了。如果等第二批飛機起飛後再讓第一批飛機降落，那麼第一批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，回收第一批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。
南雲權衡再三，舉棋不定，終於決定采取第二種方案。應該說這是一種危險的方案，但他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，也許是不太相信美軍艦隊會利用時間差來抓住稍縱即逝的戰機。
於是，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機和取得有利陣位。命令下達後，各艦隻一片忙亂，地勤人員拚命地給魚雷機卸掉重磅炸彈，重新裝上魚雷。這猶如一場炸彈換魚雷，魚雷換炸彈的演練比賽，卸下來的炸彈來不及送至彈藥庫，任意堆放在機庫旁。
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、第十七特混艦隊，就像一個耐心等待的獵人，一連幾天一直全神貫注地靜候獵物的到來。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，當確實發現敵方航空母艦位置時，即斷然發起攻擊。他又告訴斯普魯恩斯說，等“約克城”號收回了它正在搜索的10架偵察機後，也會立即趕來。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進攻的命令。
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。有的飛行編隊的轟炸機和魚雷機與護航的戰鬥機失散了。一隊由“大黃蜂”號起飛的15架“複仇者”式魚雷攻擊機組成的編隊，獨自向北搜索，終於在9時25分發現了南雲艦隊。不幸的是，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，被日本的“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”魚雷攻擊機和由“約克城”號起飛的12架“複仇者”魚雷攻擊機也發現了目標，但當他們在攻擊日“蒼龍”號和“飛龍”號航空母艦的戰鬥中均遭重創，共損失了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。美航空母艦眼看將遭到重大打擊。