�93海里处捕捉到来袭的飞机。但是，日本的航空母舰在哪里呢？又过了两分钟，中途岛基地指挥官和美国航空母航编队指挥官才得到答案。一架PBY型飞机报告：“在中途岛的320度方位。180海里处发现2艘航空母舰，并有警戒舰只。”但所报告的距离不对，比日军的实际位置少报40海里。这一误差给美军舰载机尔后的战斗带来了困难。接着，在空中待命的B…17型轰炸机立即前去袭击日本航空母舰。同时，在机场待命的陆战队轰炸机、4架B…26型轰炸机和6架TBF型鱼雷机，也起飞去袭击日本航空母舰。
此时，日军飞机已离中途岛越来越近。美国海军陆战队的战斗机在距中途岛30海里的空域与日机遭遇。美军的飞机仅对日军轰炸机进行一、两次攻击就得转攻为守，设法甩掉日军战斗机的追击。因为日本零式战斗机的空战性能远比美军的优越。
中途岛基地的高射炮，待日军机群进入射程后，一齐开火。6时30分，日军飞机投下第一颗炸弹，经过近30分钟的轰炸，地面设施几乎全部遭到破坏。发电场中弹，油罐起火，飞机库被毁，只有飞机跑道幸免于难。空袭结点后，海军陆战队战斗机奉命着陆。然而，着陆的飞机少得可怜，26架中就有16架下落不明，残存的飞机中只有2架可以投入以后的战斗；而日军飞机只有6架未能返回航空母舰。
中途岛美军奋起抗击（6月4日）
中途岛的美军飞机虽对日本航空母舰进行了非常勇敢的抗击，但因兵力不多，且分散，故未取得战果。然而，这次抗击日军入侵还是起了积极作用，使日军在关键时刻犹豫不定，未能很好发挥其舰载机的威力。这样，就使美国航空母舰有了取胜的可能。
7时稍过，B…26型轰炸机和TBF型鱼雷机从低空同时实施攻击，但由于日军施放烟幕，并进行规避运动，加之高炮猛烈射击和零式战斗机进行拦截，美机没有取得任何战果。而且，6架鱼雷机中损失5架，4架B…26型轰炸机损失2架，返回机场的3架飞机也遭到重创，不能参加尔后的战斗。
此后约过1小时，海军陆战队的洛夫顿·亨德森少校率侦察轰炸中队对敌舰实施攻击。这些飞行员刚从航校毕业，毫无俯冲轰炸经验，只好在敌人的抗击下进行危险的下滑轰炸。结果，被攻击的“飞龙”号航空母舰安然无恙，而实施攻击的16架美机只有8架返回中途岛，其中6架也遭到了重创。
大约又过15分钟，15架B…17轰炸机开始突击。这些“飞行堡垒”从6000米（20000英尺）的高空投放炸弹，结果，双方均未受到什么损伤。当上述美机将要退出战斗时，海军陆战队的第二波突击机群向日航空母舰编队飞去。该机群虽以高速低空接敌，但因日军对空炮火猛烈射击和战斗机进行拦截，无法突防和袭击日航空母舰，便对一艘战列舰进行轰炸。这次依然未中一弹，却有2架飞机在海上迫降，没有返回基地。
中途岛海战中首次交锋的结果，显然对日军有利。中途岛基地已被摧毁，日方军舰尚未受到任何损失，可是美军飞机已经损失了二分之一。正如尼米兹所说：“中途岛上能够有效地给敌舰以打击的机种，诸如战斗机、鱼雷机和俯冲轰炸机等，已损失了大部分。”美国航空母舰就是在这种情况下投入战斗的。
美国航空母舰参战
5时52分，当中途岛派出的侦察机首次报告发现日本航空母舰时，美国航空母舰编队位于日本航空母舰机动编队东稍偏北大约200海里处。弗莱彻立刻命令“大黄蜂”号和“企业号航空母舰向西急进，并指示：“一经查明敌舰位置，立即予以攻击。”这时，“约克战”号航空母舰继续向东航行，以便回收拂晓时起飞执行搜索任务的侦察机。
“企业”号航空母舰上的斯普鲁恩斯决定，在突击机群出击前，继续缩小与日舰队之间的距离。这是为了更加可靠地把日本舰队置于美军鱼雷机的175海里的作战半径之内。这是一个很明智的决定。因为日军实际距离比侦察机所报告的距离约远25海里。7时许，在估计离日本航空母舰150海里处，斯普鲁恩斯命令其舰载机起飞。据他判断，此时日军正为袭击中途岛后返航的飞机加油，这是一个难得的好机会。
在准备发起攻击时，两艘航空母舰拉开了距离，各带若干艘警戒舰只，以免重蹈珊瑚海海战的复辙。在珊瑚海海战中，“列克星敦”号和“约克城”号两艘航空母舰在日机袭击下，临时拉开距离，使警戒幕一分为二，因而出观了空隙。两艘航空母舰之间的距离增大后，“企业”号令33架俯冲轰炸机、14架鱼雷机和10架战斗机起飞。“大黄蜂”号的突击机群由35架俯冲轰炸机、15架鱼雷机和10架战斗机组成。为能尽速实施攻击，斯普鲁恩斯命令“企业”号的轰炸机群，不等鱼雷机群全部升空就向目标飞去。“大黄蜂”号的俯冲轰炸机群和鱼雷机群以两种不同的高度飞行。这样一来，突击机群起飞后至8时前后，就已分成四组分别向日本航空母舰飞去。
6时30分许，“约克城”号航它母舰收回侦察机后，立即转向，前去与“企业号”、“大黄蜂”号会合。据弗莱彻判断，日本的航空母舰为4到5艘，但通过侦察仅仅发现其中的2艘。因此，在未查明其他几艘日本航空母舰以前，弗莱彻对是否动用“约克城”号的舰载机问题犹豫不决。8时30分稍过，虽然仍未得到新的敌情报告，但他终于决定，令“约克城”号派出二分之一的舰载机出击。在此后30分钟内，有17架俯冲轰炸机、12架鱼雷机和6架战斗机从“约克城”号起飞。这时，弗莱彻对尚未查明的2至3艘日本航空母舰甚为担心，所以刚过11时又派出侦察机向西和向北进行搜索。
在此期间，南云也极其慎重。尽管从敌情报告中看不出会遇到敌方海上兵力的抗击，但他还是仅仅动用半数飞机去袭击中途岛，而令其余飞机装上鱼雷，在飞行甲板上待命，以便万一出现美舰队时投入战斗。在袭击中途岛的机群出击后，南云命令巡洋舰部队派出7架水上飞机向东和向南进行搜索。这几架飞机在30分钟内先后起飞，而“利根”号巡洋舰的飞机是最后起飞的。
7时，袭击中途岛后返航的突击机群指挥官建议，有必要对中途岛进行第二次突击。此后不久，南云部队就受到中途岛岸基飞机的鱼雷攻击，这说明上述建议是有道理的。到这时为止南云部队的巡洋舰舰载机已经持续搜索2…2。5小时，搜索范围至少已达200海里。对美国舰队的戒备即使放松一点也无关紧要。加之，首次袭击中途岛的机群即将返舰，尚需作好进行补给的准备。
在这种情况下，南云于7时15分下达了一个决定命运的命令：“第二波突击机群立即改装炸弹，作好随时出击的准备”。这个命令下达后13分钟，“利根”号的侦察机报告：“在东北约200海里处发现10艘美国军舰”。不难想象，如果“利根”号的侦察机及时起飞，提早30分钟报告上述情况的话，那么，中途岛海战的结果可能大不一样。美国的水面舰只还在200海里外，尚未构成燃眉之急。但是，南云在7时45分就已命令航空母舰部队：“准备攻击敌舰队，尚未改装炸弹的飞机仍装鱼雷。”直到8时20分，“利根”号的侦察机才报告：在美国军舰里似有一艘航空母舰。
不言而喻，南云知道，一艘美国航空母舰虽然不会给四艘日本航空母舰造成极大威胁，但是先发制人毕竟十分重要。然而，由于需要更换武器，飞机无法立即起飞。加之，从7时5分至8时30分间，由于频领受到中途岛的飞机的攻击，必须一再进行规避运动，这也妨碍了舰载机的起飞。另外，南云部队还遭到美“鹦鹉螺”号潜艇的袭扰，更使日舰陷于混乱状态。“鹦鹉螺”号潜艇收听到侦察机向中途岛基地的报告，获悉发现日本航空母舰的情况，便向敌舰方向驶去。当中途岛岸基飞机进行攻击时，该潜艇在日本机动编队的队形中间伸出潜望镜，发射两条鱼雷，使担任警戒的日军大为混乱，驱逐舰盲目投放深水炸弹。约到8时30分开始回收袭击中途岛后返航的机群时，才结束这种混乱状态。9时18分，最后一架飞机返舰后，南云部队北撤，以便整理队形。南云企图争取时间，使舰载机作好再次出击的准备，以便袭击美国的军舰。然而，为时已晚。就在这时，美军的舰载机已经飞临南云部队的上空。
“企业”号和“大黄蜂”号航空母舰的舰载机分为四个机群接敌，而“约克城”号的舰载机就成了第五个机群。这5个机群在攻击中所出现的协同动作纯属巧合。“企业”号的战斗机实际上是把“大黄蜂”号的机群误为本舰的鱼雷机中队，对其进行护航。“大黄蜂”号和“企业”号的鱼雷机群攻击失利时，这些战斗机正在日本舰队的上空，并爬高至6000米。但因没有收到事先约定的信号，它们就一直在空中盘旋，未参加战斗，待燃油消耗到一定限度，就返回了航空母舰。
侦察机所报告的日本舰队位置本来就有一些误差，再加上日本机动编队改变航向，向北航行，这样一来，南云部队就不在美军飞行员所预期的海域了。“大黄蜂”号在高空飞行的俯冲轰炸机机群，没有发现南云机动编队而继续向西南飞行。但是，鱼雷机第8中队在云层下飞行，于9时20分发现了正向西北航进的日本航空母舰，随即向目标接近。为了防止遭到中途岛岸基飞机的攻击而在低空飞行的日军战斗机，拦击了美军的鱼雷机；老练的日军飞行员轻而易举地战胜了这些又慢又笨的鱼雷机。美军的15架鱼雷机在投鱼雷前就被全部击落，只有一名飞行员得救。这位飞行员在天黑前，隐蔽在飘浮着的坐垫后面，既未受到机枪扫射，也免于被俘。“大黄蜂”号的俯冲轰炸机，燃油尚可够用，则继续向西南飞行。