6月3日上午8時，由中途島起飛的水上飛機發現日軍南方集團的艦船，機員判斷這就是日軍的主力。但尼米茲判斷這些艦船不是日軍主力，因此，仍然把美軍航母掌握在手中，沒有投入戰鬥。
這些情況接二連三地報到“大和”號上，使山本憂心忡忡，心也頓時涼了半截。因為這說明美軍已發現他們的企圖，原來的奇襲計劃已不能實現。
3.艦載機擊沉航母
6月4日4時30分，日軍終於開始了對中途島的攻擊。當東方的天空微微發白，水天線隱約可見時，在中途島西北240海裏水域，日軍“赤城”號等4艘航空母艦的飛機引擎一個接一個地發動起來，漸漸形成一片尖嘶聲。在狂熱的歡呼聲中，72架高空水平轟炸機和俯衝轟炸機以及36架零式戰鬥機，組成第一攻擊波，於15分鍾內按順序起飛，在友永丈市海軍大尉率領下，飛機編隊繞艦隊一周，吼叫著向中途島飛去。
緊接著，南雲又命令第二攻擊波的108架飛機進行出發準備。升降機把一架架飛機提到甲板上，再推到起飛線前，軍械人員用車子把魚雷從彈藥艙拖出來，裝到飛機上。當一輪紅日升起時，飛行甲板上又排滿了準備攻擊美軍特混艦隊的飛機。
在日軍攻擊中途島的機隊起飛的同時，“約克城”號也派出10架俯衝轟炸機搜索日本航母的位置。中途島方麵美軍則派出18架0B9水上飛機和16架B－17轟炸機群尋找日本艦隊究竟何在。
5時30分，美1架0B9水上飛機發現“赤城”號航母，並向中途島通知“赤城”號的位置。“企業”號航母截聽到這則電訊，再將消息轉告“約克城”號。
與此同時，蝗蟲般的日本機群在距中途島50海裏處為美軍偵察機發現。6時整，中途島上響起淒厲的戰鬥警報聲，全部美機陸續升空。6時45分，日機飛臨，早已在此等候多時的26架美軍“野貓”式戰鬥機馬上開始攔截，但迅即為性能優良的日本“零”式戰鬥機擊敗，日本轟炸機全部進入中途島上空。空蕩蕩的機場及其他地麵設施遭到日機的狂轟濫炸，但由於事先得到了空襲警報，作為日機主要攻擊目標的美航空兵力卻未受到損失。
不過，狡猾的南雲隻派出一半的飛機去攻擊中途島，為防止附近出現美航空母艦，他特意將第一流的具有攻艦經驗的飛行員留下並將餘下飛機升至飛行甲板、裝上攻艦魚雷。收到友永電報後，南雲開始考慮讓準備攻艦的飛機作為第2攻擊波再度襲擊中途島。這樣，可以乘中途島升空美機油燃盡著陸之時，將其全部擊毀在地麵。
像是要催促南雲趕快下定決心似的，從7時10分起，從中途島起飛的美機開始向南雲的航空母艦發動報複性攻擊。隻見美軍6架魚雷機和4架轟炸機首先向日本艦隊衝來，刹時日艦上的各種防空火炮在空中織成火網，護航的“零”式戰鬥機也猛撲下來，轉眼之間7架美機就被擊落，餘下了3架在進行了沒有成效的攻擊之後，僥幸逃走。
那麼，在這種對攻中，美軍的其他主力艦隊又在幹什麼呢？也就在6月4日淩晨，在中途島東北350公裏處，弗萊契爾指揮的第17特遣部隊和史普勞安斯的第16特遣部隊，正頂著西南風行駛。6時，“約克城”號的偵察員報告，發現兩艘日軍航母。弗萊契爾下令加速前進，給日軍以重創。7時，日艦已在美機攻擊距離之內，“企業”號與“大黃蜂”號轉向迎風疾駛以幫助飛機起飛。很快，20多架戰鬥機，70多架轟炸機和40多架魚雷攻擊機一齊出動，直撲敵軍而去。
可惜的是，“大黃蜂”號起飛的魚雷機和護航戰鬥機在半路分散了，當他們發現日軍航母之後，立刻將日軍的新位置報告“大黃蜂”號。然後，就在無掩護之下開始攻擊。日軍觀察員也很快便發現美15架魚雷機。在無護航的狀況下，行動緩慢的美軍魚雷機根本逃不過零式飛機的掌心。15架魚雷機被擊落，30名飛行員隻有1人生還。15分鍾之後，“企業”號和“約克城”號的魚雷機也找到日本艦隊的位置並發起攻擊。但他們也被零式飛機打得七零八落，魚雷機隻有6架生還。前後總計美軍魚雷機竟被擊落35架而且沒有損傷日軍艦一分—毫。
“大黃蜂”號的俯衝轟炸機和伴隨的戰鬥機，自從跟魚雷機分開後，卻沒有找到日軍航母。等他們接到日航母新位置報告的時候，燃油已經不夠了。結果俯衝轟炸機之中有21架回到“大黃蜂”號，另外14架前往中途島。伴隨的10架戰鬥機因為燃油不足，隻得迫降在海麵。
此外，“企業”號的俯衝轟炸機也無法在預定的攔截點找到日本航母。但是，他們的領隊畢竟經驗豐富，果斷地下令轉向北方搜索。終於，在25分鍾之後，他們發現正在海麵上閃避美軍魚雷機的日本艦隊。但因為雲層遮掩，美軍隻看見兩艘日本航母，於是他們分成兩組，各攻擊一艘。
那些日本航母，實在沒料到美機來得如此迅猛，它們剛剛趕走美軍的魚雷機，轉向迎風正準備起飛攻擊飛機前往打擊美軍航母時，災難已經悄然降臨。持續的魚雷機幹擾，已經阻礙攻擊飛機起飛達半小時以上。突然觀察員一聲驚呼：“敵機來了！”慌亂之中，日軍隻有少數機槍調轉方向射擊，但這種小打小鬧式的還擊根本沒什麼大的效果。隨著幾聲巨響，“赤城”號的甲板上被炸開了一個大洞，中央升降機也被炸毀。接著，那些倉促中沒有放回彈藥庫的炸彈開始爆炸。過不了多久，新的慘景又出現了：另外幾艘航母也遭到了幾乎同樣的命運，也籠罩在火焰中。