淩晨，日本第一攻擊波機群36架俯衝轟炸機、36架水平轟炸機和36架零式戰鬥機開始從4艘航空母艦上同時起飛，108架艦載機在友永丈市海軍大尉的率領下出發攻擊中途島。南雲海軍大將命令偵察機搜索東、南方向海域，第二攻擊波飛機提到飛行甲板上，準備迎擊美國艦隊。但是重巡洋艦利根號的2架偵察機因為彈射器故障，起飛時間耽誤了半個小時，築摩號的1架偵察機引擎又發生故障中途返航（這架飛機本應該正好搜索美國特混艦隊上空），給日本艦隊埋下禍根。
“拂曉，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道，斯普魯恩斯少將立即做出反應，準備攻擊日軍航母（其實法蘭克?弗萊徹海軍少將是這次行動的總指揮，但是斯普魯恩斯首先發動空襲）。美國艦隊因為已經破解了日本海軍“JN-25”的通訊密碼，而對敵人的計劃了如指掌。
清晨，日本艦載機向中途島發動了猛烈的攻擊。駐紮在中途島的美軍戰鬥機也全部升空，迎擊來犯的日本戰機。美軍的轟炸機，包括了B-17型轟炸機也向日本艦隊發動還擊。
7時整，友永丈市大尉率第一攻擊波機群準備開始返航，並向南雲中將發出了需要進行第二次攻擊的電報。
7時06分，由戰鬥機、魚*雷機、俯衝轟炸機所組成的117架戰機，從斯普魯恩斯少將所率領的第16特混編隊大黃蜂號及企業號升空，奔向200海裏外的南雲艦隊。8時40分，15海裏以外的弗萊徹少將率領的第17特混編隊約克鎮號起飛了35架戰機。
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。在日軍戰鬥機的截殺和日艦猛烈的炮火下，很快就擊落了7架。友永的報告和美機的攻擊，使南雲中將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，南雲下令赤城號和加賀號將在甲板上已經裝好魚*雷的飛機送下機庫，卸下魚*雷換裝對地攻擊的高爆炸彈。
7時30分，南雲接到利根號推遲半小時起飛的一架偵察機發來的電報，距中途島約240海裏的海麵發現10艘美國軍艦。南雲命該偵察機繼續查明敵人艦隊是否擁有航空母艦，同時命令暫停對魚*雷機的換彈。就在南雲等待偵察機的偵察結果時，空中再次響起了警報。40餘架從中途島起飛的美軍B-17轟炸機和俯衝轟炸機撲向南雲的艦隊。由於美軍的轟炸機沒有戰鬥機護航，結果很快的就被南雲派出的零式戰鬥機擊退。
8時15分，南雲終於接到了偵察機傳來的報告：美軍艦隊裏確實有航母的存在。南雲下令各艦停止裝炸彈，飛機再次送回機庫重新改裝魚*雷，日本航空母艦的甲板上一片混亂，為了爭取時間，卸下的炸彈，都堆放在甲板上。
8時30分，空襲中途島的第一攻擊波機群返航飛抵日本艦隊的上空。還有那些保護航空母艦的戰鬥機也需要降落加油。南雲處於進退維穀的境地。第二航空母艦戰隊司令山口海軍少將向南雲建議“立即命令攻擊部隊起飛”。第二批突擊飛機換裝魚*雷還沒有完成，如果馬上發動進攻，也沒有戰鬥機護航。而且艦上的跑道被起飛的飛機占用，那麼油箱空空的第一攻擊波機群會掉進海裏。南雲決定把攻擊時間推遲，首先收回空襲中途島和攔截美軍轟炸機的飛機，然後重新組織部隊以進攻美軍特混艦隊。
8時37分，返航的飛機開始相繼開始降落在四艘航空母艦飛行甲板上。
8時40分，弗萊徹少將率領的第17特遣艦隊的約克鎮號航空母艦上起飛了35架戰機。
9時18分，全部飛機的作業完畢。南雲命令艦隊以30節的航速向東北航行，向美軍特混艦隊靠近，以避開再來攻擊的中途島方麵美機，準備全力進攻美軍特混艦隊。
9時20分，掩護日本艦隊的戰鬥機開始起飛。
9時25分，一隊由大黃蜂號起飛的15架“複仇者”式魚*雷轟炸機組成的編隊發現了南雲艦隊。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，被零式戰鬥機和高射炮火全部擊落，30名飛行員除1人生還外全部遇難。
9時30分，從企業號、約克鎮號起飛的28架美軍戰機陸續尾隨而來，向蒼龍號和飛龍號展開攻擊。然而在攻擊南雲艦隊的時候遭到重創，損失了20架魚*雷轟炸機，美機所投魚*雷竟無一命中。
9時37分，接到利根4號機於30分時發送的電報“燃料不足，我要返航”，阿部少將命令它再留在原地時，它說“我辦不到”，於是允許它返航。