南雲艦隊轉向不久，警戒艦向南雲報告：“發現敵人機群向我接近。”南雲立即命令戰鬥機起飛迎敵。遠處飛來的美機在遭到了日機攔截後，相繼拖著濃重的黑煙墜入海中。同時，“赤城”號的機關炮也對美機進行炮擊，雖然有7架美機衝破日機的攔截向“飛龍”號投下幾枚魚雷，但都被“飛龍”號扭動著巨大的身軀一一躲過。其餘41架美機幾乎全部墜入海底。
在迎擊美機攻擊的過程中，日軍航空母艦繼續進行反擊的準備，飛機一架架從機庫提上，在飛行甲板上排列好。10時20分，南雲下令起飛，飛機螺旋槳“嗡嗡”作響，航母逆風航行，隻需5分鍾日機便可全部升空，美軍將要遭到致命的一擊。
在這同時，美軍中途島派出的偵察機也較為具體地查明了日軍航空母艦的數量和位置，為了將日軍置於美艦載機175海裏的作戰半徑之內，斯普魯恩斯從掌握的各方麵情況判斷，日軍現在可能正在為襲擊中途島返航的飛機加油。果真如此，這真是個難得的機會，於是，他果斷地下達了攻擊日艦的命令。
“企業”號和“大黃蜂”號飛機分為4個機群殲敵，而“約克城”號的飛機則為第5個機群。由於日艦轉向航行，“大黃蜂”號、“企業”號上的轟炸機未在預定海域發現敵艦。在這種情況下，轟炸機群指揮員小麥克拉斯基少校做出了“這次海戰中最為重要的一個決定”——開始方形搜索。幾分鍾後，這種搜索產生了奇跡般的效果，美機發現了日軍航空母艦。此時日軍戰鬥機已全部被美軍前4個機群的飛機吸引到了低空，“約克城”號起飛的第五機群到達時，未遭任何攔截，就對“赤城”號、“加賀”號和“蒼龍”號航空母艦同時發起了攻擊。
此時，在日軍航空母艦的甲板上，102架飛機組成的艦載機攻擊隊排列就緒，整裝待發。10時24分，第一架“零式”戰鬥機開足馬力，飛離了飛行甲板。就在這時，隻見美機呼嘯而來，黑色的炸彈傾瀉而下，日艦甲板上的爆炸聲和衝天的火光驟然而起，日軍一艘艘龐大的戰艦頓時變成了一條條巨大的火龍，波濤洶湧的海麵化為一片火海。
對這次打擊，日軍陣前指揮官淵田在回憶錄中寫道：“我首先聽到的是俯衝轟炸機撕人心肺的尖叫，然後是一顆擊中目標的炸彈的爆炸聲。閃光令人目眩，接著聽到的第二次爆炸比第一次更響。一股熾熱的氣浪衝擊著我。接著又是一次震蕩，但晃得不怎麼猛烈。隨後是一陣令人驚奇的寂靜，炮火的射擊突然停止了。我站起來望了一下天空。敵機已不見蹤影……幾秒鍾內造成的破壞使我感到恐懼。艦中央升降機後麵的飛行甲板炸了一個洞。升降機本身扭曲得像熔化的玻璃，掉到機庫裏。鐵甲板卷成奇形怪狀。甲板上的飛機翹起了尾巴，噴著青色的火舌，吐著黑煙。當我看著火勢蔓延的時候，不由得淚流滿麵，害怕大火引起的爆炸會斷送這艘航空母艦。”淵田說得一點不差，“赤城”號飛行甲板上已是一片“目不忍睹”的景象——機庫裏沒有收好的魚雷爆炸開來，爆烈的火球將大機庫變成一座“呼呼”燃燒的大高爐，滅火器絲毫控製不了火勢。作為預防措施，青木航長隻好命令放水淹掉彈藥庫。
“加賀”號也遭到了同樣的命運。第一顆炸彈在它的右舷爆炸；第二和第三顆砸開了艦首升降機，在艦橋的底下爆炸，使停著的飛機著了火，並且炸死了艦長和許多高級軍官；第四顆炸彈則掉進了機庫，引起炸彈和魚雷的連鎖爆炸。這艘航空母艦的速度開始減慢了。