第三天，山本五十六率主力艦隊起航。山本的旗艦是剛剛服役的“大和”號戰列艦，這是有史以來排水量最大、裝甲最厚、火力最強的戰列艦。這艘船長863英尺，排水量6.4萬噸，裝甲最厚處達16吋，裝備有9門射程達30餘公裏的18吋（460毫米）大炮，航速達27節。山本五十六相信戰列艦是海戰之王，所以親率戰列艦艦隊準備用巨炮把美國軍艦炸成碎片。
再說在珍珠港的美國人。羅奇福特幾個月來截獲了山本五十六90%的電報。5月20日他又截獲了山本的一份長電，不僅對山本的企圖、部署了如指掌，甚至還知道每艘軍艦艦長的名字。唯一沒有確定的是山本的進攻目標，因為電文中隻提“AF”。羅奇福特和他的情報人員絞盡腦汁，在堆積如山的偵抄電文中，找到一架日軍水上飛機曾計劃在位於中途島和夏威夷之間的一處礁群附近從潛艇上得到油料補充的電文。電文中提到的“AF”就是中途島的代號，中途島很可能是日軍下一個進攻目標。
為進一步證實自己的判斷，羅奇福特來到太平洋艦隊司令部，用明碼電報報告說“淡水蒸餾器發生故障，不能使用……”試驗日軍“AF”情報是否真指中途島。結果，兩天後，情報人員終於監聽到了日軍“AF缺乏淡水”的報告。
接著美軍又成功地破譯了的日軍作戰計劃。尼米茲上將迅速調整了中途島的防禦力量。參謀人員根據情報中獲取的日軍航線，在海圖上推算出美軍航空母艦的最佳待機點——中途島東北200海裏海域。尼米茲確信這一點的選擇將會給美軍帶來扭轉戰局的好運，於是將此命名為“幸運點”。
5月25日，由斯普魯恩斯海軍少將率領的第16混編隊從珍珠港啟航，先行開赴待機海域。第二天，以“約克城”號航空母艦為主由弗萊徹海軍少將指揮的混編隊也出航了，並於6月2日在“幸運點”會合，靜候著獵物的來臨。
山本和他的幕僚們卻都有點不放心，因為就在前兩天，南洋作戰的部隊就發現西南太平洋海域有一支由兩艘航空母艦組成的美軍特混艦隊在活動，這實際預示美軍在夏威夷方向不會再有航空母艦編隊用於支援中途島作戰了。如果真是如此，那麼山本煞費心機籌劃的誘敵決戰之計將全盤落空。山本並沒有改變主意。5月26日，日本已確定日本時間6月7日為中途島的登陸日。5月27日，在日本海軍節這一天上午8時整，“第一機動部隊”南雲中將的旗艦航母“赤城”號升起了“按時起錨”的信號旗，緊接著，另3艘航空母艦“飛龍”“加賀”和“蒼龍”號，8艘供應油船，2艘戰列艦，3艘巡洋艦和12艘驅逐艦像離弦之箭向中途島殺將而去。
6月4日清晨，美軍中途島岸基航空兵搶先發起攻擊，分4個批次對首批進擊中途島的日軍編隊進行攻擊。幾乎同時南雲也派出第一波次機群襲擊中途島。雙方機隊在日軍編隊上空展開廝殺。在日軍戰鬥機瘋狂的截殺和日艦熾烈的炮火下，美機如同飛蛾撲火，一架接一架墜入大海，但一架又跟著一架撲上來。美機的迎擊使南雲在進行了第一次空襲後，又下決心進行第二次空襲。
正在這時，巡邏機報告：“發現軍艦10艘，好像是敵艦。方位10度，距中途島40海裏，航向150度，航速20節以上，時間7時28分。”南雲做夢也沒想到敵艦會出現得如此突然，而且就隱藏在日本編隊的附近。南雲決定在第二次空襲中途島之前，首先攻擊美艦。
在這個決定性的時刻，友永率領的第一波次攻擊機由中途島返回了航母。這些飛機的油料已快用盡，要求立即降落。甲板上已擺滿了準備起飛的第二波次飛機，這批飛機在等待上批戰鬥機返回後，一同去執行攻擊美艦的作戰任務。8時55分，偵察機又報告發現了美軍航空母艦1艘、巡洋艦7艘和驅逐艦5艘，距中途島40海裏。於是，南雲於9時18分將第一波次中途島攻擊隊的戰鬥機全部收回。為避免再次受到中途島美軍岸基飛機的威脅和取得有利的陣位，南雲率隊以30節的航速向北駛去。