近9点钟，日机飞行员用无线电向日舰队报告："10架敌鱼雷机正朝你飞来。"尼米兹判定，这些飞机显然出自美航空母舰。他继续分析：此时，南云或许正准备用后备飞机发动攻击，或者正在回收从中途岛返航的飞机。果真如此，10点前南云将不会发动进攻。
美军终于抓住了千载难逢的战机。10点零8分，"企业"号终于意外地打破了沉默。太平洋舰队通信中心听到美航空母舰电台在频繁地呼叫："立即进攻！"有人听出这是迈尔斯·布朗宁上校的声音，他是斯普鲁恩斯的参谋长。布朗宁的呼叫声表明美飞行员已经发现敌舰，并得到了作战命令。
在此之前，由弗莱彻和斯普鲁恩斯率领的第16、17特混舰队，一直在中途岛东北海面耐心地静候日舰的到来。
8点左右时，筹划已久的对日攻击战开始了。从"大黄蜂"号航空母舰上起飞了35架"无畏"式俯冲轰炸机、15架"复仇者"式鱼雷机和10架"野猫"式战斗机。从"企业"号航空母舰起飞了33架"无畏"式俯冲轰炸机、14架鱼雷机、10架战斗机。8时40分，17架"无畏"式俯冲轰炸机、12架鱼雷机和6架战斗机又从"约克敦"号航空母舰上起飞。
然而，庞大的机群缺乏配合，编队四分五裂。由于侦察机的失误，一些美机来到预定海域却不见南云舰队踪影。有的飞行编队与日舰行驶方向恰好南辕北辙。一队由15架鱼雷机组成的编队，独自向北搜索，终于发现了南云编队。不幸的是，这组美机燃油耗尽，而且无战斗机掩护。在舍生取义、勇敢地冲向目标的英雄壮举中，被日军"零式"战机和高射炮火纷纷击落。与此同时，由"企业"号起飞的14架鱼雷机和由"约克敦"号起飞的12架鱼雷机，在袭击日舰"苍龙"号和"飞龙"号的战斗中均遭重创，更为可悲的是，美机所投鱼雷竟无一命中日航空母舰。
就在美军败局将定的时刻，却出现了戏剧性的转折。从"企业"号上起飞的33架"无畏"式俯冲轰炸机，在预定海域没有发现目标，搜索了1个小时也一无所获，由于燃料不足，正准备返航时，却突然意外地发现了一艘日军驱逐舰。美机飞行员认为，这艘驱逐舰或许能够帮助他们找到日航空母舰，于是他们紧随日舰而行。果然，在6，000米高空中，他们发现了由4艘航空母舰组成的蔚为壮观的南云舰队。从"约克敦"号上起飞的17架俯冲轰炸机也发现了目标。这样，美军"企业"号的33架轰炸机以日军"赤城"和"加贺"号为攻击目标，而"约克敦"号的17架飞机，专门攻击日军"苍龙"号航空母舰。
此时，日舰正处于极易受攻的境地，甲板上到处是鱼雷、炸弹以及刚加好油的飞机，而且保护航空母舰的零式飞机已经全部升空，正在四处追杀美国鱼雷轰炸机。这正是美军求之不得的有利时机。于是，"无畏"式俯冲轰炸机开始了无畏的攻击。
当然，如果起飞及时，甲板上的日机在5分钟后即可完全升空，从而与美机展开空战。但是，日军错过了这宝贵的5分钟时间，招致了日本海军350年来最大的悲剧。
当战火正旺时，尼米兹的办公室却是一段长时间的沉默。他不停地让莱顿通过热线电话向罗彻福特发出询问，美航空母舰部队是否已向南云舰队发起攻击，如已发起攻击，日军反应如何？
但是，罗彻福特虽然使用各种频率进行了解，却没有得到任何消息。尼米兹认为，也许这时没有消息反而是一件好事，如果敌舰没有发报，可能是因为它再也不能发报了。
美军飞行员犹如大发横财一般痛快淋漓地轮番攻击，连续投弹。顷刻之间，日舰上火光冲天，烈焰升腾，惊人的爆炸声此起彼伏。
"赤城"号数分钟内即告瘫痪，颠簸摇摆的甲板上一架架未能起飞的飞机，燃烧着滑进大海。南云中将被迫放弃了旗舰，移至"长良"号巡洋舰上。"赤城"号于次日傍晚沉没。
太平洋舰队司令部的情报站从日舰报务员发报的指法，推测到南云转移了，因为此报务员不似原"赤城"号那位，而极像"长良"号巡洋舰的报务主任。
日军"加贺"号此时也奄奄一息。当舰身发生巨大爆炸时，舰长死在舰桥上。两小时后，这艘精锐的航空母舰成了一具残骸。而另一艘航空母舰"苍龙"号在弃舰令下达后，早子"加贺"号12分钟倾覆沉没。
顷刻之间，威武一时的南云部队只剩下"飞龙"号航空母舰独撑危局了。"飞龙"号的战队司令官山口多闻是一位以胆识和才干著称的海军少将，他曾一度被认为是山本五十六司令官的接班人。此时，日本航空母舰编队遭受的毁灭性打击，令山口怒不可遏。他在接替了南云的空中作战指挥权之后，毫不犹豫地对美航空母舰发动了反击。
10时40分，小林攻击队的6架飞机突破美舰载战斗机的拦截，向"约克敦"号航空母舰投掷炸弹。"约克敦"号舰身起火，锅炉气压下降，失去航行能力。
不久之后，珍珠港情报站截获一份日军空中飞行队长的电报："我们正在攻击敌航空母舰。"该飞行队长命令手下的飞机连续实施攻击。接着，弗莱彻打破无线电静默，发回一份正规的密码电报：
在中途岛以北150海里处遭到空袭。受伤后的"约克敦"号经过抢救之后，继续航行，但在下午3时遭到日鱼雷飞机的第二次攻击。舰上的动力、照明和通讯系统尽遭破坏，左舷倾斜，在该舰即将倾覆之时，舰长被迫下令弃舰。
弗莱彻请求舰队总司令尼米兹派出拖船，并要求第17特混舰队设法保护和营救"约克敦"号。尼米兹答应了这一请求。他命令，在17特混舰队全力营救航空母舰的同时，由斯普鲁恩斯的第16特混舰队继续对日作战。
"飞龙"号发动两次进攻后，舰员们疲惫不堪，战斗力大减。但山口仍决定黄昏时再次出击，给美舰队以最后的致命一击。正在这时，斯普鲁恩斯派遣的一支俯冲轰炸机分队神不知鬼不觉地冲向"飞龙"号。一连串重磅炸弹呼啸而下，4弹命中目标。不久，"大黄蜂"号上的俯冲轰炸机和中途岛、夏威夷起飞的B-17式飞机也赶来助战。"飞龙"号在尚未对美舰造成致命一击之前，先遭毁灭，于21时23分葬身汪洋。山口多闻将自己绑在舰桥上，随舰沉入海底。"飞龙"号的沉没，标志着显赫一时的南云舰队主力的彻底倾覆。
6月4日傍晚，尼米兹和他的参谋人员围坐在一起，谨慎地回顾一天来的战况。从迄今收到的电报看，美军已经击败了南云舰队。但是，尼米兹仍在较为轻松的心情中期待着更为详尽的报告。晚上10时，斯普鲁恩斯发回消息：在17点到18点之间，第16特混舰队航空大队，袭击了包括1艘航空母舰、2艘战列舰、2艘以上重巡洋舰和一些驱逐舰在内的日本海军舰队。日军航空母舰多次被500和1，000磅炸弹击中，最后猛烈燃烧；至少有1舰战列舰4次被炸起火；1舰重巡洋舰也被炸燃烧。17点50分，位于北纬30度41分、西经177度41分，航向西，航速15节的敌军舰队，同东南方驶来的驱逐舰会合。3艘遭袭击的航空母舰，仍在燃烧并向东南方向航行……尼米兹看到这里，脸上终于溢出轻松的微笑。多日来疲惫的面庞一下子变得容光焕发、喜气洋洋。他断定，日军4艘燃烧的航空母舰已经无可救药，胜券已从敌人手中夺了过来。虽然双方这次交火的有效时间只有5分钟，但就在这5分钟里，日本海军的中坚力量遭到摧毁，美军扭转了不利局面，使太平洋战局出现了重大转变。
当"赤城"号、"加贺"号和"苍龙"号起火燃烧时，山本五十六为了挽回败局，下令集中中途岛和阿留申方向的全员战斗力，拟与美舰队进行决战，同时令军舰高速前进，趁黑夜占领中途岛。
尼米兹考虑到了这种可能性，他们料定以果断和足智多谋闻名于世的山本是不会善罢甘休的。当夜，太平洋舰队司令部几乎无人安睡，他们必须密切注视有可能出现的各种意外情况，不让已经到手的胜利果实白白丢掉。
然而，当山本确知"飞龙"号中弹沉没的消息后，终于没有孤注一掷。他否认了黑岛大佐提出的保全面子，掩饰败局的方案。该方案试图集中包括"大和"号在内的全部战列舰，在白天抢占中途岛。而这无异于自取灭亡。
但是，山本企图引诱斯普鲁恩斯的第16特混舰队进入以威克岛为岸基的日机飞行半径之内，然后一举予以歼灭。6月6日，山本五十六发出了作战命令："在本地区作战的联合舰队各部队，应在威克岛航空兵攻击范围内接触并歼灭敌机动部队……"
山本的如意算盘再次落空。斯普鲁恩斯的部队由于燃料不足而向东撤退，拉到了交战区之外。
一些军官对斯普鲁恩斯没有猛追敌舰，而是向东后撤大为不满，认为他错失了良机。尼米兹在情况没有充分掌握之前，不便过多评论，他对下属们说："我相信斯普鲁恩斯在那里对情况的判断，比我们在这里判断得更为准确。我相信他对这件事非常理智。随着时间的推移，事情将会真相大白的。我们在这里没有资格对一个战地司令官的行动品头论足。"显然，尼米兹的直觉是准确的，这也体现了他对下级的了解和信任。
凌晨3时，根据中途岛侦察机的报告，日军在该岛以西的所有舰队，都在向西移动。夏威夷情报站也已证实，日军第2舰队向西北航行。很明显，敌军是在全线后撤。
早晨8点刚过，斯普鲁恩斯的第16特混舰队的俯冲轰炸机和中途岛的B-17型轰炸机，又袭击了日军巡洋舰，日"三限"号巡洋舰被击沉，"最上"号巡洋舰受重创。
"大和"号战舰上的山本五十六看到大势已去，迫不得已向群僚们表示要独自承担罪名。中途岛时间6月5日2时55分，山本痛苦地向庞大的日舰队发出了承认失败的电文："撤销中途岛作战计划。"
6月6日是一个富有戏剧性的日子，这一天原是山本定于攻击中途岛的纪念日，但此时"大和"号却背道而驰在距中途岛600多海里的返航途中。
太平洋舰队司令部洋溢着兴奋的气氛，彻夜不眠的参谋官们围坐在一起吸烟、休息，他们掩饰不住脸上的骄傲神情。美军在敌强我弱的情况下，取得如此辉煌的战果实属不易，胜利的含义已超过了一次战役的局部性，而带有决定性的全局影响。
在雾气消散的清晨，珍珠港、太平洋沿岸的舰船、车站以及所有无线电波能够传送到的地方，都在用英语传播着金上将发给尼米兹的祝捷电文。这份电文也无可阻挡地传到了日军耳中：美国海军、海军陆战队和海岸警卫队，对在中途岛英勇善战、击退敌军进攻的美国海军、海军陆战队和陆军部队表示由衷的钦佩，相信战友们将会再接再厉，彻底歼灭来犯之敌。埃蒙斯将军来到了太平洋舰队司令部，他手中拎着系有海军蓝和金色带子的冰镇香槟酒。他没有多说话，语言在这个时候显得多余，他命令副官将带来的香槟酒通通打开。
一时间，酒香四溢、泡沫飞溅，太平洋舰队司令部一片欢声笑语。这是尼米兹和美军将士们自珍珠港事件以来第一次开怀畅饮。
在庆祝之际，有人想到了罗彻福特。一位参谋立即给夏威夷情报站打电话，并派车去接他。这位破译专家此时仍闷坐在大楼底下的办公室内，当他得到通知，磨磨蹭蹭来到太平洋舰队司令部时，香槟酒会已经结束，一个高级会议正在进行。
尼米兹起身对罗彻福特的到来表示欢迎，并向在场的官员们介绍说："他是中途岛之战的有功之臣。"
尼米兹的赞扬是由衷的，如果说中途岛海战令人心神激荡，那么侦察情报战则是最为精彩的一部分。多年以后，切斯特·尼米兹仍然直言不讳地表示，中途岛大捷实际上是"情报的胜利"。这一论断几乎得到了历史学家和军事界的一致公认。美军不仅在战前准确掌握了日军企图，而且在战斗中又及时发现了日军，并始终掌握敌人的动向，为自己捕捉战机、用兵施计创造了最有利的条件。
尼米兹领导的中途岛海战的胜利喜讯传遍了全世界，他的办公桌上堆满了来自世界各地的祝捷信函和电报。
英国首相丘吉尔对中途岛海战的成功给予了高度评价："美国这一值得纪念的胜利，不仅对美国，而且对整个同盟国的事业都具有重大的意义、对士气的影响是广泛而及时的。这一胜利一举扭转了日本在太平洋的优势。曾经使我们在远东的军事力量遭到挫败达6个月之久的敌人所炫耀的优势，现在已经一去不复返了。"
尼米兹得到了鲜花，但他不是一个易于沉醉的人，他知道战斗有多么艰辛，胜利又是怎样来之不易。从珊瑚海海战时起就历经艰险的"约克敦"号，在此次战役中又多次被鱼雷击中，最后终于缓缓地沉入了滚滚波涛之中。听到这个消息时，尼米兹沉默了许久。他一直抱着一线希望，认为"约克敦"号既然能够顶住一次鱼雷的攻击，它就能够顶住第二次。但是，他的希望破灭了。他悲愤地抱怨道："我们有五六艘驱逐舰在那里驱赶敌人的潜艇，而日军的一艘潜艇却还能够冲进来用鱼雷击中"约克敦"号，这说明我们反潜战术有问题。"
美国除损失"约克敦"号航空母舰之外，另有1艘驱逐舰被击沉，307人阵亡，150架飞机被毁，中途岛和荷兰港的设施遭到了严重的破坏，阿图岛和基斯卡岛陷落。日军的损失没有美国战时估计的那么严重，但也足以扭转太平洋战争的进程。日本损失4艘航空母舰和1艘重巡洋舰，1艘战列舰和2艘驱逐舰受创，损失飞机322架，包括一些优秀飞行员在内的3，500人阵亡。
中途岛海战给日本上层人物造成了无法愈合的创伤，从中途岛战役以后直到二次大战结束，这一痛苦的回忆使他们再也无法对战局做出正确的判断。这次海战的大捷使美军得到了一个非常宝贵的调整时期。直到1942年年底美国新的"爱塞克斯"级大型航空母舰服役之前，日本海军已无力发动大规模的战役。
中途岛海战是一场决定性的战役，尼米兹伸出双臂，庄严宣称："先生们，今日我们已报了珍珠港之仇！但是，只有彻底摧毁日本海军，才能带来太平洋地区乃至世界的长久和平。我们已经取得了实质性的进展，中途岛海战使我们走完了一半的历程。为此，我们将深感宽慰。"