这一战给自称无往而不胜的日本海军官兵心理上以沉重的打击。惨败后的日本人极为恐慌，把海战实况列为“绝密”；凡海战受伤者，都盖得严严实实，深夜上岸进医院，病房完全与外界隔绝；所有的海战报告在战争期间高度保密，并于1945年投降时几乎全部销毁……
重拳虚落
6月4日凌晨，进攻时刻即将来临。甲板上，飞行人员正在匆匆地进早餐。那是日本传统早餐：米饭，酱汤，干板栗和白酒。在漆黑的大海上，4艘航空母舰上的探照灯都已打开，照亮了宽敞的飞行甲板。4艘航母上配备飞机的数量分别是：“赤城”54架，“加贺”63架，“飞龙”54架，“苍龙”56架。
这4艘航空母舰此时位于中途岛西北240海里，正迎着风全速行驶，为舰载机起飞作准备。
大约凌晨3点，飞机引擎一个接着一个发动起来，渐渐成为一片尖嘶声——“赤城”号的飞机就要起飞去空袭中途岛了。
渊田按捺不住要在飞机起飞时刻到甲板上去的心情，于是也吃力地从病舱里溜了出来。通道上没有人，全体舰员都在战斗岗位上。第一一攻击波的飞机整齐地排在飞行甲板上，起飞的准备工作已经完成，引擎的隆隆声开始缓和下来。
渊田望了望漆黑的天空，到拂晓还要等很长时间。天空多云，天气虽然不好，但还可以飞行。大海在黑暗之中平静地睡着。
渊田问布留川海军大尉，什么时候日出。
他回答说：“5点整。”
“派出搜索机没有？”
“还没有。搜索机同第一攻击波同时起飞。”
“是单相搜索吗？”
“是的，跟往常一样。”
渊田突然想起了两个月前日军空袭科伦坡和亭可马里时采用过的单相搜索的情景。他心想，这不是一个高明的战术。那两次在日机攻击队已经起飞去攻击敌航空基地的时候，搜索机都发现了敌水面部队。想到这里，渊田非常担心地问：
“万一在空袭中途岛的时候，我们的搜索机发现一支敌舰队，打算怎么办？”
村田海军少佐说：“不要紧，第一攻击波起飞后，第二攻击波马上就可以攻击所发现的任何敌水面部队。第二攻击波有江草海军少佐的俯冲轰炸机队、我的鱼雷机队和板谷海军少佐的制空队。”
“好！这几个队很强！我们只希望敌舰队定会出来，好让我们歼灭它。搜索是怎样安排的？”
布留川用图板向渊田解释说“从东到南一共有七个搜索扇面，中途岛在搜索弧线之内。‘赤城’号和‘加贺’号各派一架飞机，‘利根’号和‘筑摩’号各派两架水上飞机，‘榛名’号派一架水上飞机。除了‘榛名’号的‘九五’式飞机搜索半径只有150海里外，其余飞机搜索半径都是300海里。”
虽然这个搜索范围看来还可以，但渊田仍然认为比较好的办法是双相搜索。双相搜索是指在同一个搜索扇面上在相隔一定的时间内安排两架搜索机进行搜索。日本联合舰队的飞机这时还没有雷达，要完全靠目力观察，只能在白天有效地进行搜索。所以，为了在天亮后尽早发现敌人，一批飞机（第一相搜索）出动的时间，必须能让它在天亮时到达搜索半径的终点。这就是说，它们向外飞时，在黑暗中所飞过的地区还是没有经过搜索的，因此，应该在大约一小时后，在同一个搜索扇面内，派出第二相搜索。
执行第一相搜索任务的飞行员，当然应该对夜航是训练有素的。南云部队有这样的飞行员，本来是可以采用这种方法的，但这需要比单相搜索多一倍的飞机。尽管进行充分的搜索是很重要的，但日本海军的指挥官们向来是不愿从他们有限的兵力中以超出最低限度的兵力用于执行这种任务的。他们充其量只愿腾出不到十分之一的兵力用于侦察活动，认为其余的力量应留作进攻之用，而美国海军当时却十分重视空中侦察，他们每次都派出大约1／3的兵力用于侦察。
南云自然亟盼最大限度地集中兵力攻击中途岛，不愿把飞机派出超过绝对必需的数量去进行搜索。既然他没有理由猜测这个地区会有敌军出现，他满以为单相搜索就足够对付意外情况了。
4点30分（日本时间6月5日1点30分），“赤城”号和“加贺”号的搜索飞机同空袭中途岛的第一攻击波同时起飞。“榛名”号的水上飞机也在这个时候弹射起飞了。但是负责中央搜索扇面的“利根”号和“筑摩”号的水上飞机都没能按时起飞。后来才知道，“利根”号的两架搜索机由于弹射器出了毛病而耽误了时间。同时“筑摩”号的一架搜索机引擎又发生故障。这架飞机在起飞后，引擎再次发生故障，加以天气恶劣，不得不在6点35分中途返航。
单相搜索虽然是欠考虑的，但如一切能按计划实现，在日出前半小时派出单相搜索还是会有帮助的。但“利根”号的两架搜索机耽误了起飞时间，这件事成了后来日本部队在这次海战中失利的致命原因。回顾双方在这次海战中的全部经过，人们后来才知道“筑摩”号的搜索机刚好错过了敌特混舰队。按计划，这架飞机本应该正好从敌特混舰队上空飞过。在“筑摩”号飞机南面搜索扇面内进行搜索的迟到的“利根”号飞机，在回程搜索时才发现敌特}昆舰队。如果南云执行了原来的计划得更周密的双相搜索，如果“筑摩”号的飞机在去程搜索时观察得更为仔细，或者水上飞机能按时弹射起飞的话，中途岛之战的失利本来是可以避免的。
飞机的引擎全都起动了，从飞机的排气管里喷出青白色的燃气。飞行甲板上，一片震耳欲聋的嘈音。指挥起飞的军官挥了挥绿灯，第一架“零”式战斗机掠过灯火通明的起飞甲板，冲向黎明前黑暗的天空。甲板上的水兵们齐声欢呼着为它鼓气。接着，8架战斗机相继起飞，然后是18架舰载俯冲轰炸机。15分钟内，108架飞机——俯冲轰炸机、水平轰炸机和“零”式战斗机各36架，从4艘航空母舰上同时起飞。它们以壮观的环形队列，轰鸣着绕行舰队一周，然后向着东南方的中途岛扑去。舰上的人注视着它们翼尖上一长串红蓝灯光闪烁着逐渐远去。
日本海军崇尚大炮巨舰主义战略。飞行甲板上，方才还是震耳欲聋的嘈声，现在变得一片寂静。
但是，这种沉静仅仅持续了一会儿便又被扩音器的大声喊叫打破；“第二攻击波准备！”所有人员都在紧张地忙碌着，曙光已开始使东方天空发白，不容再有休惠的时间了。
5点，东边的水天线升起一轮红日。飞行甲板上又摆满了飞机，以便一旦发现敌特混舰队便可起飞迎击。俯冲轰炸机每机携带一颗250公斤炸弹，水平轰炸机每机携带一条鱼雷。第二攻击波也是108架飞机——36架“九九”式俯冲轰炸机（“飞龙”号和“苍龙”号各18架），36架“九七”式鱼雷机（“赤城”号和“加贺”号各18架）和36架“零”式战斗机。
一切看来都已准备就绪，甚至也作了应付意外的准备，但是这种准备在当时则显得太不充分了。当时在空中为南云舰队护航的总共才18架战斗机！一旦遭到敌机攻击。这些兵力是根本抵挡不住的。
而此时中途岛的美军却已有准备，正严阵以待南云的第一批突击飞机。美国海军太平洋舰队司令尼米兹上将，在了解到日军即将进攻中途岛的意图后，往这个弹丸小岛上调集了大批飞机。机种包括侦察机、战斗机、水平轰炸机、俯冲轰炸机和鱼雷攻击机。
清晨5时30分，中途岛上的雷达发现了来袭的日军机群。岛上的战斗警报尖锐地响了起来。此时友永大尉率领的日军108架攻击机群，离中途岛大约还有150公里。
尼米兹上将命令岛上的所有飞机立即起飞。他命令用战斗机迎击敌机群，轰炸机和攻击机全部飞往海上寻歼日军舰队。
6架“复仇者”鱼雷攻击机和4架装有鱼雷的B-26轰炸机，起飞后径直朝北面的敌人航空母舰方向飞去。19架B-17轰炸机和37架俯冲轰炸机，跟随它们前进。
20架“水牛”式战斗机和6架“野猫”式战斗机则向西北飞去，迎击向岛上飞来的敌机。
清晨6时16分，中途岛上的所有飞机刚刚起飞完毕，美国战斗机就同日机遭遇。
日本护航的“零”式战斗机队，在美国战斗机还来不及冲入轰炸机群时，就和它们干上了。双方的飞机俯冲、跃升，相互紧咬追逐。日本的战斗机不但在数量上超过迎击的美机，而且在性能上也比对手优越。
空战的结果，美军战斗机17架被击落，7架被击伤。日军“零”式战斗机未受损失，也没让“野猫”式战斗机击落1架日方轰炸机。
日本攻击机群扑向中途岛的目标，再也没遭到飞机拦截。轰炸机冒着猛烈的高射炮火频频俯冲，肆意轰炸了20分钟，炸中了岛上建筑物、油库和一处海上飞机库。
可是，日本轰炸机要在中途岛消灭对方航空力量的企图却落空了。它们所能找到的轰炸目标，不过是空的飞行跑道和几座空机库。岛上所有的飞机都已飞向高空。
而第一攻击波飞机弹药已尽，油料也所剩无几，只得返航了。这时太平洋中部时间是早晨7时。领队友永大尉从飞机上向南云舰队发出电报：“突击机群返航，有必要再次袭击。”他的机群在轰炸中途岛的过程中，被地面的防空炮火击落了1/3。
忙手乱脚
就在南云的突击舰队向中途岛发动第一波空袭的同时，美国方面也在积极准备发动对日本入侵舰队的反击。
6月4日黎明，日出前半小时。美国海军第17特混编队指挥官弗莱彻少将，从“约克城”号航空母舰上派出了10架侦察机去搜寻敌人的舰队。不过首先发现日本航空母舰的，还是从中途岛起飞的“卡特莱纳”式水上侦察机。
清晨5点25分，霍华德·艾迪上尉驾驶一架从中途岛起飞的“卡特莱纳”水上侦察机，在靠近南云突击舰队航行的海域，恰巧钻出了云层。当他发现那一大批灰色的舰只时，着实吓了一跳。“发现敌人的航空母舰！”艾迪用无线电向基地报告。
弗莱彻少将接到敌人舰队的确切情报后，却不能从他所乘坐的“约克城”号航空母舰上派出舰载机首先出击。因为他所派出的10架侦察机的燃油快用完了，需要把飞行甲板空出来，先让侦察机降落。
清晨6点零7分，弗莱彻少将向“企业”号航空母舰上的斯普鲁恩斯少将发去电报，命令第16特混编队首先向敌舰队发起空袭，第17特混编队随后跟上。
斯普鲁恩斯少将本来计划再航行3小时，也就是当天上午9时，再出动舰载机进行攻击。因为到那时，他同日本舰队之间的距离，将缩短到160公里以内，这对于航程有限的舰载攻击机和战斗机作战比较有利。不过他的参谋人员提出了不同意见。特混编队参谋长米切尔·布朗宁上校认为，如果把出击时间定在上午7时而不是9时，那么就能使出击的飞机在日军航空母舰最脆弱的时刻，也就是在他们空袭中途岛的飞机返回母舰降落的时刻，正好抵达敌舰上空发动攻击。
这是一个大胆冒险的主意。因为飞行距离比原计划远了，危险也增大了。他的攻击机和护航的战斗机都可能由于油料耗尽而无法返航。要是在平时，斯普鲁恩斯是不会冒这个险的。而这一次，由于有可能给日本舰队来个突然袭击，他也就把危险置之度外了。
经过深思熟虑，他作出的关系此次战役胜败的第一个重要决定，是采纳布朗宁上校的意见，把出击时间提前到上午7时；第二个同样重要的决定，是命令两艘航空母舰上的大部分飞机出动参加袭击，把宝一次全部都押上。
当时，第16特混编队所辖的两艘航空母舰，拥有飞机数量分别是：“企业”号79架，“大黄蜂”号79架。
6月4日凌晨6时，南云的旗舰“赤城”号发现空中有美国侦察机在活动，它就是艾迪上尉驾驶的“卡特莱纳”水上飞机。日军舰队开始感到不安，担心遭到随之而来的空袭。
7点，南云中将收到了友永大尉发来的关于需要对中途岛施行第二次攻击的电报。他还来不及作出反应，7点10分，处于舰队最前方的—艘驱逐舰打出了旗语；“发现敌机。”信号旗在日舰桅杆上升起，警报声响彻海空。
6架“复仇者”鱼雷攻击机和4架B-26轰炸机在“赤城”号航空母舰右舷出现。这是从中途岛起飞的第一批美国攻击机群。它们从1，200米高度的云层中钻出。日本主力战舰重炮齐鸣，高射炮的连发炮火震耳欲聋，20多架“零”式战斗机扑来阻击。美国飞机列成单行。不顾猛烈的炮火，朝着“赤城”号扑来。“零”式战斗机迅速击落了3架，其余7架鱼雷攻击机继续向日本航空母舰进逼，越飞越近。它们轮番丢下鱼雷，又跃上高空。其中一架几乎同“赤城”号相撞，接着被击中焚毁。
这10架美国轰炸机的全体飞行人员，在没有战斗机护航下，自知难以生还，仍然视死如归。只可惜它们发射的鱼雷无一命中敌舰。最后只有1架“复仇者”和2架B一26返回了中途岛。
遭到美机首次空袭之后，南云判定这些飞机必定来自中途岛。他感到必须尽快把中途岛的航空力量消灭干净。再加上友永刚才发来的再次袭击的建议，南云终于下令再次进攻中途岛。这样就要把已经停放在“赤城”和“加贺”号航空母舰飞行甲板上的飞机，重新用升降机运回下层甲板，以便将挂在机身下的鱼雷卸下，再往飞机上配挂炸弹。为鱼雷机改挂炸弹的命令，是7点15分发出的。当机械兵把这些飞机从飞行甲板上往下降时，航空母舰上到处是一片紧张混乱的气氛。
但是，舰上飞机换装炸弹的作业开始后还不到15分钟，就传来了令人震惊的消息：巡洋舰“利根”号派出的一架远程侦察机，完成了500公里的弧形搜索任务准备返回时，突然发现10艘美国军舰正在向东南方向破浪前进。
这时大约是上午7点30分。
南云接到这个报告大吃一惊。航图室迅速计算的结果表明，美国舰队离他只有320公里。如果那10艘舰只中有敌人的航空母舰的话，那么南云的4艘航空母舰此刻就处于相当不利的境地。因为“赤城”、“加贺”两艘航空母舰上的鱼雷机，几乎全在下层甲板上重新装挂高爆炸弹，无法立即派他们出发去攻击美国舰队，而对方的航空母舰却可能已经派出飞机前来攻击。
日本人确实运气不佳。“利根”号巡洋舰上那架侦察机，如果不是因为弹射器出了故障而推迟半小时起飞，本来会在鱼雷机降到下层甲板去换装炸弹之前发现美国舰只的。那样的话，日本的鱼雷攻击机此刻就可能正朝美国航空母舰飞去了。而现在，就在日本舰上人员手忙脚乱地给飞机卸装武器的时候，取胜的时机丧失了。