中途島海戰是太平洋戰爭期間日本海軍同美國海軍進行的一場關鍵海戰，1942年6月4日，日軍主力艦隊進犯中途島，先頭機動部隊的四艘主力航母被美國軍隊消滅后敗退。
珍珠港事件之后，日本聯合艦隊司令山本五十六致力于尋找美國海軍航母主力進行決戰，計劃以進攻中途島為誘餌進行伏擊。在與日軍大本營進行討價還價之后，形成了以航母機動部隊為先導，動用聯合艦隊主力戰列艦隊和陸軍登陸艦隊共同進攻中途島，同時攻占阿留申群島的龐大作戰計劃。美軍在1942年5月通過破譯日軍密碼，提前掌握日軍的作戰意圖，隨即進行了戰備部署，派遣企業號和大黃蜂號航母組成第16特遣艦隊，并緊急維修約克城號航母組成第17特遣艦隊前往中途島海域迎戰，同時加緊中途島的布防。
6月4日一早，日軍機動部隊對中途島發動空襲，美軍部署在中途島上的戰機和航母編隊的艦載機也先后向日軍發動反擊。日軍的加賀、蒼龍和赤城號航空母艦航母遭美軍艦載機重創。飛龍號對約克城號發動兩次反擊將其擊傷，隨后被企業號的轟炸機重創。當天夜間山本五十六下令撤退，并對四艘航母雷擊處分。約克城號在海上進行維修作業期間被日軍潛艇伊168號擊沉。
整個中途島戰役中，日本海軍4艘航空母艦（飛龍號、蒼龍號、赤城號、加賀號）、1艘巡洋艦被擊沉，被擊傷巡洋艦1艘，被擊傷其他艦船9艘，損失作戰飛機285架，傷亡人數3500余人；美國海軍1艘航母（約克城號）、1艘驅逐艦被擊沉，損失作戰飛機147架，傷亡人數307人。中途島海戰是太平洋戰爭的轉折點，日本受此次重創后，再也不能隨心所欲地進攻，而美國逐步掌握住戰爭的主動權，開始向日本發動反攻。戰役勝利鼓舞了反法西斯同盟國家的士氣，扭轉了太平洋戰爭局勢。。
歷史背景
日軍計劃的出臺
1941年，聯合艦隊司令官山本五十六認為必須通過對美開戰以獲取南太平洋的資源，并在開戰初期重創美國海軍以贏得時間。日本海軍最高指揮機構軍令部雖然反對，但是面對山本的聯合艦隊總辭職威脅后選擇了妥協，最后在山本的主導下完成了偷襲珍珠港計劃，然而襲擊珍珠港并未擊沉美國的任何航空母艦。
在后續行動的選擇上，海軍也意識到其人員太少，必須與陸軍合作才能完成新領土的占領。而日本陸海軍之間長期不合，陸軍當時的主要精力也集中在中國戰場，對蘇作戰的失敗（諾門坎戰役）讓日本陸軍感受到巨大壓力，不愿分兵支援海軍在太平洋戰場上的行動。因此在太平洋戰爭初期，日本艦隊支援陸軍在印度洋和南太平洋頻繁奔波。
而一系列的內外壓力都讓日本海軍傾向于尋求一場決戰以求在1942年就結束太平洋戰爭。在日本海軍中有人傾向于轉入防御，也有人主張占領澳大利亞。與此同時，聯合艦隊則主張在太平洋中部進行作戰并開始進行謀劃。這個行動方案最早來自細萱戍子郎海軍中將，他的責任是守衛日本北部的出海通道。如果美國軍隊利用這個通道，能很容易地攻擊到日本本土。山本五十六和他的參謀們都是這個方案的大力倡議者。美軍航母一直是山本的目標，而其母港是珍珠港，山本希望在夏威夷附近海域再次進行作戰以將其消滅。在偷襲珍珠港兩天后，山本就命令參謀宇垣纏少將研究入侵夏威夷的行動綱要。這份綱要設想直接進攻夏威夷將促成美日海軍的決戰。
軍令部獲得消息后設法制止山本的計劃，多次派人與聯合艦隊接觸，并研究了此計劃的后勤需求，得出結論認為這大大超出了日本的能力。在1942年1月10日的陸海軍聯席會議上，軍令部總長永野修身和陸軍參謀總長杉山元討論了進攻夏威夷的行動綱要。兩人都認為這是不可能的，進軍南太平洋的斐濟或薩摩亞以切斷美澳聯系更為合理。聯合艦隊的參謀們被迫制定相應的作戰計劃。3月13日，大本營批準了斐濟和薩摩亞行動綱要，即MO計劃。
在這段時間內，美國軍隊航母的不斷出擊——2月20日列克星敦號襲擊拉包爾、3月10日列克星敦號和約克城號航空母艦襲擊新幾內亞島。在山本五十六看來，擊沉美軍航母比切斷美澳聯系更重要。根據日方當時的估計，列克星敦號已被潛艇擊沉，美軍還有薩拉托加號航空母艦和3艘約克城級航母，加上可能從大西洋調回的突擊者號共有5艘，而日軍當時有6艘艦隊航母可以使用。為吸引美軍航母進行艦隊決戰，最好的辦法是進攻一個美軍不能不戰而退的目標。山本五十六為此選擇的是中途島，即MI計劃。
4月2日-5日，軍令部和聯合艦隊參謀人員在東京舉行會議，山本并未參會。軍令部的參謀人員批評了山本五十六的計劃，并提出了三條反對意見：日軍缺乏陸基航空兵掩護、攻占后也無法補給中途島、對后續進攻夏威夷也毫無助力。而美國軍隊也有極大可能主動放棄中途島而避免決戰。然而山本不為所動，為此軍令部選擇了妥協，最終批準了山本的計劃。然而山本為了這個結果，也被迫接受了軍令部給他的兩個任務：6月對阿留申群島發動進攻，即AL行動；以及支持日軍在南太平洋的作戰，即MO行動。
陸軍參謀本部第1部長田中新一中將并不同意海軍的計劃。拒絕派兵配合在夏威夷、中途島或阿留申群島的作戰。海軍獨自完成了《帝國海軍第二階段大東亞戰爭計劃書》，并在4月16日向天皇氏匯報并通知了陸軍參謀總長杉山元，而杉山并未表示反對。
4月18日下午，日本本土遭遇了美國杜立特中校率領的16架B25陸軍轟炸機的襲擊。東京、橫濱市、川崎、橫須賀、名古屋市和神戶均遭到轟炸。本土遭襲給日本以極大的精神震動，這表明本土防空上存在明顯漏洞，太平洋的防御也存在著弱點。美機的空襲大大加強了山本的論據，填補漏洞和戰勝弱點的唯一途徑就是攻占中途島。陸軍因此改變了此前的反對觀點，4月20日，田中中將就批準了MI作戰計劃，并承諾將派遣部隊參與。5月25日，日本陸軍甚至開始針對夏威夷王國作戰進行突擊訓練。
日軍航母四處出擊
在1941年12月襲擊珍珠港之后的半年內，日本聯合艦隊橫掃太平洋戰爭。二航戰的飛龍號航空母艦和蒼龍號航空母艦航母為日軍入侵威克島作戰提供了空中掩護。緊接著，機動部隊在日本經過短暫的休整，就趕往南部水域為馬來亞和印度的軍事行動提供保護。在1942年2月19日，作為攻擊爪哇島行動的一部分，機動部隊的空中力量擔當了對澳大利亞北部達爾文突襲的主力，造成了極大的破壞并有效地癱瘓了該港口。
1942年4月初，機動部隊（包括“赤城號航空母艦”號、“蒼龍”號、“飛龍”號、翔鶴號和瑞鶴號航空母艦）在印度洋作戰。日本航空母艦攻擊了英國在科倫坡和亭可馬里的海軍基地。日軍對科倫坡的攻擊是在4月5日上午，港口的設施遭到嚴重破壞。當天下午，日軍艦載機擊沉了英國皇家海軍的重巡洋艦多塞特郡號和康沃爾號。4月9日，日軍機動部隊攻擊了亭可馬里。并擊沉了競技神號航空母艦和一艘驅逐艦。
珊瑚海海戰
日軍大本營經過認真商討，認為澳大利亞是美、英等國將來進行反攻的最大根據地，必須設法割斷美、澳間聯系。海軍軍令部決定在5月上旬奪占莫爾斯比港（即MO作戰），切斷美、英等國與澳大利亞的供應線，進而于6月上旬實施中途島作戰，奪占美國位于中太平洋的重要軍事基地，而后進行斐濟和薩摩亞群島作戰。山本五十六并不支持MO作戰計劃，但同意抽調機動部隊的航空母艦以支援第四艦隊的作戰行動。經過一番討價還價，決定由新成立第五航空戰隊的“翔鶴”“瑞鶴”兩艘航母參戰。山本預計如果5月初能攻占莫爾茲北港的話，五航戰還來得及歸隊并完成對中途島作戰的準備。
5月3日，日軍登陸部隊未遇到任何抵抗便占領了圖拉吉島。5月8日，美日兩支艦隊的偵察機幾乎同時發現對方，雙方在珊瑚海展開激戰。
這次海戰，日軍共損失輕型航空母艦1艘，飛機77架，傷亡官兵1000余人；此外，翔鶴號航母被命中3顆炸彈，被迫退出戰斗。瑞鶴號航空母艦雖然避免了艦體受損，但是它的艦載機部隊全部被摧毀。雖然翔鶴號于5月17日離開了港口，但又與一艘美國潛艇遭遇差點被擊沉。四天后翔鶴號再次被送進船廠，最終它將在干船塢中度過6月份的后半個月。至于瑞鶴號，雖然名義上可以運行，但是它的艦載機部隊不可能在數月內恢復。
美國軍隊損失了大型航空母艦列克星敦號。日軍企圖攻占新幾內亞島莫爾斯比港的戰略目標未能實現，這是太平洋戰爭爆發后日本海軍在太平洋上的攻擊首次受挫。同時，日本參加珊瑚海海戰受傷的兩艘航空母艦無法參加中途島海戰。而受重創的美約克城號航空母艦卻及時修復，投入對日戰斗。這讓日本海軍機動部隊在將要到來的中途島海戰中的航母數量優勢蕩然無存。
美軍的反擊
在1942年的太平洋戰場上，盟軍的力量遭到日軍沉重打擊。荷蘭軍隊已全軍覆沒，英國皇家海軍被壓制在印度洋損失慘重，澳大利亞和新西蘭軍隊缺乏足夠的人員和經濟能力以維持防御，美國軍隊只能獨力支撐戰局。澳軍主力此時已被英軍調往中東戰場，富蘭克林·羅斯福保證將至少一個美軍師部署在澳大利亞以確保其安全。美軍將大量地面部隊派往南太平洋的島嶼包括斐濟、新喀里多尼亞和薩摩亞等地以加強防御，甚至為此推遲了在歐洲的對德作戰準備。而偷襲珍珠港后，美軍就一直在加強夏威夷的防御，以阻止日本人將其占領。截至1942年4月，夏威夷的駐軍已增加到近7萬人，較戰前的3萬翻了一倍，并將繼續增加到11萬人。這些部署給美國海軍帶來了巨大的海上補給和護航壓力。日軍對珍珠港的襲擊讓美國軍隊損失了太平洋上所有的戰列艦，只能依靠航母進行戰力投送，以及潛艇來打擊日本的運輸線。美軍的首要目標是保持和加強自身的航母艦隊，并擊敗日軍的航母部隊。
切斯特·尼米茲中將在珍珠港事件10天后出任美國太平洋艦隊總司令。1月，薩拉托加號航空母艦航母被潛艇擊中被迫返修，太平洋艦隊只剩下列克星敦號、約克城號航空母艦、企業號。尼米茲使用這些航母對日軍據點進行了幾次襲擊，但并未影響戰局。4月，華盛頓哥倫比亞特區方面要求海軍展開一些積極的行動。4月18日，尼米茲使用3月剛加入太平洋艦隊的大黃蜂號航空母艦搭載陸軍的B-25轟炸機對日本本土進行了空襲（企業號為其護航），即“獨立特空襲”。此次襲擊使日本陸軍開始重新考慮美國軍隊的航母威脅。
中途島的戰略地位
中途島坐落在太平洋中央，位于夏威夷島鏈的遠端，距瓦胡島西北大約1300英里，距美國舊金山和日本橫濱都相距2800海里，距珍珠港1135海里。中途島面積只有4.7平方公里，是美國在中太平洋地區的重要軍事基地和交通樞紐，也是美軍在夏威夷的門戶和前哨陣地。因其位于亞洲和北美之間的太平洋航線中途，故名中途島。中途島是一個小環礁，由沙島和東島兩個島嶼組成。兩個島嶼均被珊瑚礁環繞，全島周長24公里，陸地面積4.7平方公里。東島是較小的一個，美國陸軍航空隊基地的3條縱橫交錯的飛機跑道幾乎將其完全覆蓋。據日本情報部估計，它有50多架飛機。沙島上有大部分的基礎設施，包括士兵營房和新的美國水上飛機基地。這個要塞是美國人在戰前剛剛完成建設，花費了2000萬美元，這在當時是十分驚人的。它擁有大量的卡特琳娜式PBY卡特琳娜水上飛機，能在公海的各個方向上巡邏。然而，由于中途島本身面積過小，不管美國人將多少錢撒到它的基礎建設上，都不可能在那里部署規模非常大的飛機部隊。
中途島的軍事價值不在于它的軍事設施，而是在于它的地理位置。攻取中途島等同于日本將自己力量切入到夏威夷群島內部，中途島在理論上可以作為日本征服夏威夷的跳板。盡管它作為前沿基地的實際價值非常有限，然而，得到中途島就可以讓日本人阻止美國人在夏威夷西面和北面水域發起的偷襲行動，也可以防止美國人使用該島進攻威克島。
雙方作戰計劃
日軍作戰計劃
由于受到AL行動計劃的影響，使得本就極其復雜的MI行動更加缺乏彈性。
由于日軍規劃的登島作戰需要在滿月下的N日（東京時間6月7日，中途島時間為6月6日）凌晨進行。MI計劃從對美國軍隊的偵察開始，日軍在馬紹爾群島和沃特杰島部署了大型水上偵察機二式飛行艇，日本通過海上加油的方式讓其在3月成功對夏威夷進行了偵察，并計劃在N-5日再次進行。同日，還將在瓦胡島以西和西北方向500海里處部署兩道潛艇警戒線，各由7艘潛艇組成，但其部署位置的視野并不能互相覆蓋。
N-3日，南云忠一率領的機動部隊（包括第1、2、5航空戰隊的6艘航母、2艘快速戰列艦榛名號戰列艦號和霧島號戰列艦以及其他中國海軍護航編隊）將從西北方向對中途島進行空襲，一次性消滅中途島上的航空力量，與AL計劃中的空襲荷蘭港同時開始。在接下來的2天，機動部隊將繼續削弱中途島的防御，并搜索美國軍隊航母的蹤跡。近藤信竹率領的中途島攻略部隊會從中途島西南偏西方向發起攻擊：在N-1日用水上飛機母艦部隊登陸中途島以西60英里處的庫雷島建設水上飛機基地，用以攻擊中途島；N日，海軍登島部隊約1500人登陸沖積島，1000人登陸東島；陸軍登陸部隊約2000人也將登陸；由栗田健男的4艘重巡洋艦提供炮火掩護。在機動部隊之后的是山本五十六的主力艦隊，將在完成奪島后可以加強島嶼的防御。
按計劃，日軍將在完成對中途島的占領并后進入防御姿態，與預期到來的美國軍隊航母進行戰斗。山本的主力部隊將激動到中途島西北600海里處，南云的機動部隊則在東方300海里處。近藤信竹的部隊是計劃中引出美軍航母的誘餌，因此只有2艘快速戰列艦金剛號戰列艦和比叡號，既不十分強大也便于脫離戰斗。完成決戰后山本主力將返回日本。
預計中的雙方決戰將在中途島附近海域進行，并假定美軍航母會伴隨慢速戰列艦行動，日軍能直接對其進行偵察發現。作戰過程包括日軍潛艇和航母的消耗戰以及最重要的，由主力艦隊進行戰列艦決戰。
兵棋推演
1942年5月1日，為了確定最終的作戰計劃，在大和號戰列艦戰列艦上進行了為期五天的戰棋推演，由參謀長宇垣纏擔任裁判。負責紅方（即美國軍隊）的軍官遞交的計劃顯示將用航母在南云的側面對其發動攻擊并將其重創。然而裁判斷言美軍不可能采用如此戰術，并推翻了南云損失3艘航母的結果。美軍戰術重新按山本五十六的意愿來編排，將在預定的時間和地點出現。山本在推演后問南云如果美軍航母中途偷襲該怎么辦，但沒有得到滿意的答復，山本指示他們至少保留一半的飛機以應對美軍航母的遭遇。
推演結束后的兩天，即5月7日、8日，9日、美海軍在珊瑚海遭遇。日軍發回的戰報稱：己方一艘航母沉沒，一艘航母重創，一艘航母的艦載機損失殆盡；美國軍隊兩艘航母沉沒（其實是一艘沉沒，一艘重創）。這場遭遇戰未能受到山本五十六的重視，以至于在5月25日，在大和號戰列艦上的臨行前最后一次推演后，作戰計劃也未有任何改變同日，南云的第一機動部隊尚未準備完成，他向山本報告將晚一天出航，并將對中途島的空襲推遲一天。山本五十六很不情愿的批準了。
中途島作戰計劃及兵力部署
1942年5月26日，聯合艦隊最后確定了具體作戰計劃，其中包括3項獨立的但相互支援的作戰行動：（1）占領西阿留申群島；（2）占領中途島；（3）艦隊決戰。
為實施中途島戰役，日軍總計動用水面艦艇206艘、艦載機約470架、岸基飛機214架、登陸部隊及基地設置部隊1.68萬人。動用如此龐大的海上兵力是日本海軍70年來從未有過的，僅燃油需要量就超過戰前日本海軍一年的耗油總量。
日軍的作戰方式
日本海軍的軍事準則
軍事準則是一種正式的知識體系，它規定軍隊如何去戰斗。軍事準則不但包括在實戰中部署部隊的方法，還包括軍令的結構和確保軍令能夠得到執行的通訊程序。
日本帝國海軍的軍事準則存在兩方面的影響。第一，對于壓倒性的戰斗力非常看重，將使用協調配合的大規模戰斗力的原則上升到神圣的法律地位。使用強大的遠程力量進行先發制人也被認為是抵消美軍優勢的有效方法。日本海軍強調艦隊決戰并為此投入全力，而忽視了海上控制、兩棲力量投送、保護航運等其他強大海軍的傳統任務。
軍事準則對日本海軍的第二個影響主要表現在它的武器系統。日本的戰艦強調速度和火力以及戰術一致性，而并不重視結構強度、穩定性和損害控制等因素。日本的戰機制造猶如做菜，更加注重飛行范圍、火力和機動性，但是并沒有真正打算長久地使用它。日本強調訓練精英飛行員，但卻忽視了這些飛行員的性命。日本的戰艦和飛機都比較適合于短暫的海上沖突，由于日軍不看重人力資源的損失，因而表現出后續無力。
對于新誕生的航母力量，日本海軍也強調集中火力的軍事原則，并為此組建了世界上第一個航母打擊力量：第一航空艦隊。使中國人民解放軍海軍航空兵力量從早期的偵察和輔助中獨立為戰場的決定性力量。
多航母協同作戰
在當時的技術條件下，重載的魚雷機需要更長的起飛跑道，占據了整個航母甲板，而俯沖轟炸機次之，戰斗機最短。因此一艘航母需要至少進行兩次甲板整備才能放飛所有的戰機，第一批放飛的戰機為等待第二批飛機完成編組只能在空中待命浪費油料。日本海軍為此發展了一種稱作“飛行甲板加載分點作業”的做法。在多支航母戰隊同時攻擊時，機動部隊的全部航母都將參與進攻，第一航空戰隊出動全部的艦爆機，而第二航空戰隊將同時出動全部的艦攻機，并同時出動一定數量的零式戰斗機進行護航，這樣就不用等待即可形成一個完整的攻擊波。在緊接下來的下一輪攻擊中，飛機部隊的組成發生相應變化，第一航母戰隊將派出所有的艦攻機，第二航母戰隊派出所有的艦爆機，保證航母艦隊能夠發動規模龐大而協調性好的對敵打擊。這樣能夠節省一半的時間，迅速地起飛并組成完整的攻擊部隊。
艦隊警戒的配置
日軍4艘航母中的一艘將負責機動部隊的警戒。蒼龍號航空母艦在27日第一次執勤。在白天時，它要保持一小隊的空中巡邏戰斗機在艦隊上空進行警戒，另外還要與巡洋艦和戰列艦合作進行反潛巡邏。反潛巡邏通常不會超過兩架九九式步槍艦爆機。負責警戒的航母在甲板上要留有少量飛機（零式戰斗機戰斗機或者99式艦爆機）隨時待命。每次巡邏時間一般是兩小時，不過零式戰斗機在需要的時候可以在空中滯留更長的時間。負責警戒就意味著整天的低強度飛行作業，飛機庫里不斷地重裝彈藥和加油。而其他航母的船員們則是進行日常的維護和訓練。
日軍航母艦載機編制
日軍的海軍航空兵的基本戰術編制是由3架飛機組成小隊。一個小隊的典型飛行模式是倒“V”字形，領隊飛機稍微比另外2架跟隨飛機要低一點。兩個或三個小隊組成一個中隊。在太平洋戰爭的初始階段，所有日本航母都以9架飛機作為一個中隊。然而到1942年3月前后，艦攻機已經開始轉向使用6架飛機作為一個中隊，因為這樣可以讓整個中隊在目標選擇上更具靈活性。然而，艦爆機在中途島海戰中仍然使用9架飛機的中隊，戰斗機也是一樣。戰斗機并沒有使用真正的中隊編隊，在戰斗白熱化的時候，零式戰斗機的飛行員仍回到了3架飛機的小隊編隊模式。
艦載機和整備流程
日本海軍依靠三種類型的艦載機。
日本海軍的艦載戰斗機三菱零式艦載戰斗機（A6M2，日語：零式艦上機，簡稱：零戦）。零戰是一種小巧的、高度精簡的飛機，擁有很好的爬升率和較低的翼載荷，當加上一個日軍通常使用的副油箱，擁有超長作戰半徑，可以飛到距離母艦300英里處作戰。然而零戰幾乎完全沒有裝甲，并且沒有自動密封的油箱。總之，如果敵人想方設法進行一次良好攻擊，那么零式戰斗機是非常容易被擊落的，因為飛行員暴露在炮火之下并且油箱容易著火和爆炸。但在當時，盟軍戰斗機尚未在戰斗中擊落零戰。
日本海軍的艦載俯沖轟炸機是愛知的99式艦上爆擊機（D3AI，日語：九九艦爆一一型，簡稱：艦爆）。它是一架雙座飛機（飛行員和無線電操作員/后方炮手），結構非常堅固。99艦爆的有效載荷相對較低，它們的掛彈是250kg的穿甲彈，或者是242kg的高爆彈。與之相對的美國海軍SBD無畏者式飛機能夠攜帶1000磅（約453.59千克）的炸彈。
日本海軍的艦載魚雷機是是中島的97式艦上攻擊機（B5N2，日語：九七式艦攻一二型，簡稱：艦攻）。97艦攻可以進行水平轟炸和魚雷攻擊。在水平轟炸時可以攜帶800kg炸彈；在對艦攻擊時可以使用91型魚雷，這種魚雷在性能上優于美軍的Mk 13型魚雷。91式魚雷的航速為41.5節，Mk 13為33.5節（理論上飛龍和蒼龍號航空母艦都可以規避這種魚雷）。91型魚雷的最大發射高度為1000英尺、速度260節，日軍認為其在330英尺、160節時發射效果最理想。美國軍隊的TBD魚雷機在發射魚雷時速度不得高于110節，高度不得高于15米。
日本航母在儲備飛機時并不將其停在飛行甲板的停機坪，而是停放在下層的飛機庫中。艦攻機的加油和裝彈是在機庫中完成的，軍械士使用彈藥車將炸彈或魚雷從彈藥庫中推到飛機下，然后用彈藥車上的千斤頂和飛機進行安裝，過程將持續30分鐘。每艘航母都搭載了6輛彈藥車，為機隊數量的1/3，完成整個機隊的整備至少需要一個半小時，在機庫完成整備后，送到甲板上進行定位、預熱和起飛的時間則需要額外的45分鐘。而零式戰斗機和艦爆機的加油和裝彈是在航母甲板上完成的，同樣可以同時對6架艦爆機進行操作。
美軍的應對
破解日軍通訊
美國海軍在戰前就開始破譯日軍的JN25B密碼，?此舉對后來美軍順利奪取中途島海戰中的主動權起到了不可替代的重要作用。由于JN25B密碼在日本海軍的無線電通信中使用最廣，?約占其密碼電報通信總量的一半，美軍情報機構對該型密碼的破譯工作極為重視。1941年12月7日珍珠港之戰過程中，美軍情報部門從一架偷襲珍珠港被擊落的日軍飛機上搜出了相關密碼本，這為破譯日本海軍"25號密碼”提供了最初線索。?最終通過從沉沒的日本“伊-124”號潛艇上打撈出的密碼本，促進了對該密碼的攻關進程。
1942年3月，日軍的JN25B密碼被成功破解。美軍平均每天可以截獲日本海軍約60%的信息流，但由于人手不足，只能分析40%。美軍的密碼專家只能破解約10%-15%的密碼組合，但可以通過對信息流向的分析推測發信人的身份并監測其行為和覆蓋范圍。4月9日，美軍截獲發給加賀號航母的信息，綜合其他信息判斷日軍在南太平洋有重大活動。因此切斯特·尼米茲將列克星敦號和約克城號航空母艦部署到珊瑚海以保衛美澳補給線，雙方爆發珊瑚海海戰。
5月9日，美國情報人員懷疑日軍將有下一步的重大行動。夏威夷的情報部門（HYPO）分析認為將有多艘戰列艦和航母將在塞班島集合，可能直接威脅太平洋中部，目標應該是中途島，希望將航母調回。而美國海軍總司令部的情報主觀則認為日本將繼續進攻南太平洋，要求美國軍隊航母繼續在南太部署。尼米茲暗示第16特遣艦隊故意暴露行蹤，5月17日，圖拉吉島的日軍偵察機發現了他們之后，尼米茲取消了企業號航空母艦和大黃蜂號航空母艦前往南太的部署，將其調回夏威夷。
HYPO站長羅切福特監聽到日軍的電文中頻繁出現“AF”的字眼。隨后他從一份1941年12月的電報中也找到了“AF”，并分析出“AF”指代的是中途島。為了證實“AF”是中途島，切斯特·尼米茲實施了一次“釣魚行動”。5月19日，他讓中途島基地發出一份明碼電報，報告淡水設備故障；之后讓珍珠港回電：向中途島派出供水船。不久，羅切福特截獲了日軍電文，通知部隊攜帶更多淡水凈化器，應對“AF”淡水匱乏。從而確定“AF”確指中途島。
相反，日軍戰前的情報工作相當糟糕。首先，日軍對密本保密工作的重視程度遠不及美國軍隊。日海軍對“伊-124”號潛艇未按期返航沒有引起足夠的重視，誤以為該潛艇只是發生了機械事故。而實際上美軍已從這艘失事的潛艇上獲得了日軍正在使用的密本，但日軍對此毫無察覺。其次，日軍推遲更換密本的決定對于自己本已極為脆弱的保密措施而言更是雪上加霜。日軍在無線電通信中把原定于當年4月1日更換的新密碼本推遲了整整一個月才投入使用。但正是由于這一個月的時間，美國海軍無線電破譯部門有充裕的時間對JN25B密碼進行了系統的分析研究，破譯出了其中絕大部分密電內容。最后，日軍的保密意識淡化。日軍在珊瑚海海戰之后，樂觀地認為憑借自己的機動部隊完全能夠把美國佬打的落花流水。結果，日軍的保密措施放松了，軍官們在酒樓和茶館里也公開談論中途島行動。
尼米茲的準備
組織特遣艦隊
HYPO估計，日軍將有4-5艘航母，并可能分為兩隊，攻擊時間最早可能是6月2日。尼米茲開始集結可以使用的力量進行應對：由于在珊瑚海海戰中列克星敦號沉沒、約克城號航空母艦重傷，尼米茲手頭現有的航母只有第16特遣艦隊的企業號和大黃蜂號，他下令在大西洋的黃蜂號航母趕回太平洋。薩拉托加號航空母艦之前被日軍潛艇擊傷正在西海岸新區維修和改裝，預計6月7日才能抵達珍珠港。受損的約克城號正在返航途中，如果能夠修復，美國軍隊將在艦載機數量上與日軍大致持平。
5月27日，切斯特·尼米茲召開太平洋艦隊司令部和2個特遣艦隊參謀部聯席會議，制定對日作戰方案。會議確定最后的指導方針是：美國軍隊在兵力處于劣勢，但較好掌握了敵方作戰企圖的戰情況下，必須出其不意，先發制人，使敵人的航空母艦處于被動挨打的局面。第16特遣艦隊（TF-16）和第17特遣艦隊（TF-17）共同駛向北緯32度、西經173度中途島東北地區面約325海里處列陣埋伏，并對該島以西600海里范圍進行嚴密的偵察警戒，以期盡早發現日艦位置，先機從側翼對日軍實施突襲。在指揮官的人選上，由弗萊徹總負責并統領第17特遣艦隊，第16特遣艦隊則由斯普魯恩斯接替哈爾西進行指揮。兩支艦隊分開作戰，讓日本人難以同時發現他們，但也帶來了協調困難的問題。
為欺騙日軍誤以為美國軍隊航母仍在所羅門群島附近，誘使日軍繼續向中途島進發，切斯特·尼米茲命令在珊瑚島執勤的一艘巡洋艦用航空母艦航空兵大隊通常使用的頻率發報，讓日軍監聽部門收到這些信號。
大黃蜂號航空母艦和企業號航空母艦奉命急速從南太平洋開往夏威夷，5月26日進入珍珠港。被擊傷的約克城號航空母艦原定3個月修復，但在5月28日進船塢開始維修時，切斯特·尼米茲為了搶時間，派遣了1400名維修人員晝夜不停搶修。此外約克城號的艦載機隊在珊瑚海戰中受損，尼米茲將薩拉托加號航空母艦上的三個中隊VB-3、VT-3、VF-3替換了約克城的VB-5、VT-5和VF-4，展現出靈活的應變能力和優秀的組織技巧。在30日以約克城號為核心的第17特遣艦隊出海前往戰場時，維修人員、設備都隨艦邊走邊修。此時，該艦隊擁有航空母艦一艘，飛機76架，重巡2艘，驅逐艦5艘。于前一天出發的第16特遣艦隊擁有航空母艦2艘，飛機155架，重巡5艘，輕巡1艘，驅逐艦9艘。。
美國太平洋艦隊作戰計劃規定了各部隊的具體作戰任務及部署：第一，盡量在遠距離發現并攻擊敵人，防止敵航空母艦對中途島奇襲。為此，中途島部隊要加強警戒，實行700海里的空中巡邏。為實現對來犯日軍的早期預警，潛艇部隊在中途島以西150海里、300海里和700海里處構成3道警戒線。第二，對日軍航空母艦部隊的空中攻擊，應在其空襲中途島之前實施，為此，發現敵航空母艦部隊之后，首先以中途島上的陸軍航空兵B-17型戰略轟炸機進行遠距離攻擊，夏威夷王國方面的轟炸機也立即出動，參加進攻。美國太平洋艦隊的航空母艦部隊，在中途島東北地區海面的日軍空中搜索圈外隱蔽待機，一俟中途島警戒飛機判明敵情，立即接近并奇襲敵航空母艦。第三，在中途島西面警戒的潛艇，應相機實施攻擊。第四，中途島守軍盡力死守該島。第五，對于北方，重點防衛荷蘭港至阿拉斯加州之間區域，盡力阻撓日軍對阿留申群島的進攻。
此外，鑒于夏威夷和美國本土西海岸新區可能遭到攻擊，該計劃也作了相應安排：在夏威夷方面采取警戒態勢，在中途島以東至瓦胡島之間的中間地區，以及瓦胡島以北300海里處構置兩道潛艇警戒線；在本土西海岸新區實施警戒配備，戰列艦部隊在沿海進行巡邏警戒。
強化中途島防御
由于中途島面積很小，部署不下足以擊退日軍大規模進攻的兵力，尼米茲遂重點加強島上的防御力量。在水際灘頭及周圍水域布設了水雷，加強海軍陸戰隊的守備兵力，并增加了一些高射炮。此外，還加強了島上航空兵力。至6月4日，中途島兵力增加了兩個海軍陸戰隊的精銳營和一個輕型坦克營。
中途島上的陸戰隊晝夜趕工，建立了大量飛機掩體，并將汽油桶分散埋放在掩體附近以防止油料庫被摧毀。水箱也被掩埋，應急物資儲藏在人員防空洞內。在人員工作崗位和活動地點附近新增地下掩體和交通壕。此外還設置好了大量的水雷、地雷、鐵絲網、爆炸陷阱等防御工事。
5月26日，小鷹號航空母艦運輸船給中途島送來了18架SBD2轟炸機、7架F4F戰斗機和21名新飛行員，其中17人剛畢業。29日，陸軍航空兵的4架B-26轟炸機中型轟炸機進駐，它們被改裝為魚雷轟炸機。同日，12架BPY-5A巡邏機自珍珠港抵達。30日和31日又先后抵達了8架和9架B-17重型轟炸機，運輸船送來了3000桶汽油。6月1日，大黃蜂號航空母艦上的6架TBF-1魚雷機抵達，他們錯過了航母的集結后選擇增援中途島。
為完遠程偵察任務，中途島的偵察計劃為：從5月30日開始，22架偵察機分成兩班搜索中途島西面700海里的范圍。早上4點15分起飛，每架飛機負責15°扇面。30日當天，巡邏機就與日軍部署在威克島上的巡邏機發生了遭遇，并被擊傷。除此外，中途島的 偵察力量還有19艘潛艇，他們負責在島的從正北到西南0-240°方位進行巡邏，包括150英里的6個巡邏區和200英里上的3個巡邏區，這些潛艇在6月3日前全部就位。
表格參考資料為
雙方指揮官
戰役過程
戰前偵察
1942年5月26日，日軍第一航空艦隊從柱島基地出發，駛向中途島西北面250海里附近的出擊地點。28日，山本五十六五十六海軍上將率領的主力部隊離開柱島，在第一航空艦隊之后數百海里距離上跟進。參加中途島作戰的日軍，雖然在兵力上占絕對優勢，但始終未能掌握美國軍隊航空母艦部隊的動向。按照聯合艦隊計劃，作戰行動首先從對夏威夷王國和中途島方面的敵情偵察開始。為此，制定了代號為“K號作戰”的偵察計劃，規定2架大型水上偵察機于5月30日從馬紹爾群島的沃特杰起飛，至中途島與夏威夷之間的弗倫奇—弗里格特沙洲，加油后于當夜飛抵瓦胡島執行偵察任務。然而，負責油料補給的日軍潛艇發現弗倫奇—弗里格特有2艘美國艦船和美國軍隊水上飛機。因此、日軍不得不放棄“K號作戰”，指望預定6月1日在中途島至夏威夷之間構成的潛艇警戒線能夠提供預先警報和美國軍隊兵力情況。而這些潛艇過于老舊，一直維護到5月26-30日才陸續出發，遲至6月3日才到達指定陣位，由于美軍密集的空中偵察，這些潛艇又忙于躲避并未發揮作用。其間，日軍無線電偵聽也出現了失誤，未能提供有關美國海軍艦隊活動的準確情報。5月30日田中的運輸船團出發后就被美軍潛艇發現，發往中途島的電文被日軍截獲。6月2日，I-168潛艇在對中途島進行偵察后上報了其結果，指出中途島上戰機平均每天起飛上百架次，水上飛機白天都在遠航巡邏，島上施工日夜不停等。與此同時，東京的情報中心也發現夏威夷的無線電流量上升，并出現了大量帶有“緊急”字樣的電報。其他日軍也發現了美國軍隊潛艇更加活躍。但這些信息都未能引起重視。雖然日軍戰艦上都有不錯的電子偵聽和通訊設備，但是也沒有影響到山本五十六五十六和南云中一對計劃的執行，他們并未提出懷疑和討論。
中途島美軍岸基航空兵也于30日開始實施700海里半徑的空中巡邏。中途島目前的四個飛行中隊由西里爾·T·司馬德海軍上校負責指揮，島上還有31架PBY卡特琳娜水上飛機卡特琳娜式偵察機，這些偵察機完全可以飛到環礁以外700英里處進行偵察。5月30日，美軍從中途島上開始派出搜索機群，飛達距離該島700英里為止的海面去偵察敵情，但天氣惡劣，低云恰好掩蔽著來襲的日軍，所以直到6月3日，才算發現日軍蹤跡。6月3日8時43分，美國軍隊偵察機在中途島以西430海里處首先發現日軍宮本定知海軍大佐的掃雷部隊。接著，9時15分，美機又發現日軍運輸艦隊。由于估計到日軍將從中途島西北方向實施主要突擊，所以美航空母艦便在中途島東北地區偏北約300海里處待機，中途島基地的部隊也嚴陣以待。直到下午，未發現日軍其他部隊，9架B-17型轟炸機遂奉命從中途島起飛，于16時30分實施攻擊，但無戰果。入夜，4架美軍水上飛機攜帶魚雷從基地起飛，其中3架順利發動了攻擊，擊中日軍曙丸號油輪，造成23人傷亡。
機動艦隊出擊
6月5日（機動部隊時間，中途島時間為4日）凌晨，南云中將的機動部隊已到達中途島西面240英里遠的地點，航母上的機械師從2點30分起床開始進行飛機整備，2點45分，飛行員起床待命。4點，艦隊進入戰備狀態，艦爆機開始在甲板上暖機。按計劃，二航戰派出全部的36艦攻機使用800kg炸彈進行高空水平轟炸，然后由一航戰的36架艦爆機攜帶242kg炸彈進行俯沖轟炸。4點26分，赤誠號機隊已全部起飛，2分鐘后飛龍號航空母艦完成放飛，加賀號航空母艦和蒼龍號航空母艦機隊也在4點30分全部起飛，各航母機隊的起飛過程大約花費了7分鐘。在起飛后的3個半小時內，機動部隊都將保持當前航向不變，以便強擊機群在8點30分返航降落。
除了攻擊波外，機動部隊還放飛了11架零式戰斗機負責空中警戒。它們分為4個小隊，在2000米和4000米空中各有2個小隊警戒不同的方向。4艘航母都在甲板上整備了一些零戰對其進行輪換。而在機庫中則開始了新一輪的戰機整備。第一航空戰隊開始為艦攻機隊掛載91式航空魚雷。二航戰的艦爆機隊則進行油料和機關槍整備，它們的炸彈需要等在甲板上安裝，而此時的甲板正被輪番起降的零戰所占據。
同樣在4點30分左右，機動部隊開始偵察美國軍隊航母動向。赤城號航空母艦的一架魚雷機偵察181°方向、加賀號航空母艦上的一架魚雷機偵察154°方向、利根號重巡的2架零式水偵偵察123°和100°方向、筑摩號重巡的偵察機偵察77°和54°方向、榛名號戰列艦的偵察機偵察33°方向。每架飛機飛行300英里（482.8千米）后左轉60英里（96.56千米）再返航，榛名號的95式偵察機性能較差，只需飛行150英里（241.4千米）后左轉40英里（64.37千米）。航母上的偵察機隨著攻擊編隊順利起飛，而重巡上的飛機起飛過程并不順利，筑摩號的兩架偵察機在4點35分和38分起飛，利根號3號偵察機在4點42分起飛，4號偵察機因為遇到故障，起飛時間耽誤到5點才起飛，筑摩號的1架偵察機引擎又發生故障中途返航。
5點20分，南云忠一下令準備開始第二波攻擊，這意味著第一航空戰隊的赤城和加賀號航空母艦要將其艦攻機上的魚雷換成對地炸彈。而在5點32分時，機動部隊最前方的長良號輕巡和霧島號戰列艦戰列艦開始釋放煙幕，并報告稱發現了美國軍隊的偵察機。5點45分，利根4號偵察機發報通知，稱在艦隊80英里外發現了2艘美軍潛艇，55分，利根4號又報告發現了15架美軍戰機正飛向機動部隊。
美軍準備反擊
由于已經在前一天發現了田中的艦隊，中途島意識到自己面臨威脅。一早就開始就放飛了F4F戰斗機戰斗機作為護航，22架PBY卡特琳娜水上飛機偵察機也在4點14分完成起飛，執行扇形搜索任務。15架B-17轟炸機也在15分鐘后出動，前往攻擊田中的艦隊。在中途島西北處的美國軍隊航母也開始偵察，約克城號航空母艦在4點20分放飛了SBD轟炸機進行偵察，由于航程限制，它們偵察范圍為100英里，而企業號航空母艦和大黃蜂號航空母艦則在甲板上完成整備，等待偵察結果。
5點30分，艾迪駕駛的PBY偵察機發現了南云的機動部隊，4分鐘后他報告了2艘航母的存在及其方位速度。5點40分，蔡斯駕駛的另一架PBY發現了日軍進攻中途島的機群并緊急以明碼發報：大批飛機超中途島飛來，方位320，距離150。接著他也發現了機動部隊，5點52分，他報告發現了2艘敵軍航母和戰列艦及其方位和速度。由于當天的云層遮擋，美國軍隊偵察機難以同時發現兩艘以上的日軍航母。
切斯特·尼米茲事先通知過弗萊徹，情報顯示日軍航母編隊可能不止一個。于是達倫·弗萊徹在6點07分命令斯普魯恩斯向西南方向前進，一旦完成定位就向日軍進攻。他率領的約克城號航空母艦則收攏凌晨放飛的偵察SBD后再準備攻擊。后續再發現其他日軍航母時約克城號就可以改變目標。由于PBY的偵察報告并未明確日軍位置，弗萊徹和斯普魯恩斯都不能確定作戰距離，因此斯普魯恩斯將7點作為攻擊出發的時間，然而斯普魯恩斯的參謀長并未向大黃蜂號通報作戰細節，大黃蜂號的行動實際由其艦長自行決定。實際上此時雙方距離超過200英里，在美國軍隊艦載機的航程范圍之外。
5點53分，中途島上的雷達站報告發現大量不明飛機來襲。6點整，東島機場上的美軍飛機全部開始起飛。首先是26架戰斗機，然后是6架TBF魚雷機、4架B-26轟炸機、12架SB2U-3和18架SBD-2俯沖轟炸機。期間由1架F4F戰斗機、2架SBD-2和1架SB2U-3因故障返回外，其他飛機都完成編組撲向日軍，機場上只剩作為誘餌的JFU。20架F2A和4架F4F負責攔截日軍戰機，強擊機群則前往西北攻擊日軍。
空襲中途島
起飛攔截的美軍戰機很快就發現了友永仗市率領的日軍空襲機群。友永的機隊飛行高度約1.2萬英尺，為其護航的零戰高度更高一些。
6點10分，友永發出命令：襲擊方式：2號，風向90°，風速9米/秒，進攻方向270°。6點15分，友永距離中途島40英里，發現島上已經處于戒備狀態。21分，美國軍隊戰斗機向他們俯沖過來。飛龍號的3架艦攻被擊落，其中一架是飛龍號第二中隊指揮官菊池六郎大尉的座機。友永的座機也被擊中漏油起火，不過很快就滅火了。日軍負責護航的零式戰斗機反應過來開始與美軍戰機纏斗。很快美軍就發現他們面對零戰毫無還手之力，一名美軍飛行員回憶“零戰一次次攻擊他們時，他們就像被繩子拴住一樣”。最終美軍的戰斗機群僅有6架返回了中途島，其中4架損毀嚴重無法再戰。大部分日軍戰機并未受損，繼續朝中途島進發。
永友機隊從北方接近中途島，6點36分，友永下令采取突破陣型。二航戰的艦攻機隊在11000英尺高度以150節的速度從東北方向攻擊中途島。中途島上的重型高射炮讓友永的艦攻機隊開始受損，飛龍號航空母艦二中隊的一架艦攻被擊落。6點40分，第一航空戰隊的艦爆機隊從中途島正東面發起進攻。由于前一輪轟炸的硝煙讓他們難以辨識目標，由于高度降低，中途島上的各種防空炮都開始向他們射擊。俯沖轟炸僅進行了3分鐘，日軍艦爆在超低空高速飛行以躲避炮火。在他們離開后，護航的零式戰斗機則繼續掃射島上的設施和他們能看見的戰機。6點45分，友永發出電報：已完成空襲，準備返航。7點整，友永發回了戰果電報：需要進行第二波空襲。這份電報也被夏威夷的美國軍隊所截獲。
7點25分，友永的機群集結完畢后返航。他的機隊損失較為嚴重：飛龍號航空母艦的9架戰斗機全部返航但有2架不能再用，17架艦攻中2架被美軍戰斗機擊落、1架被高射炮擊落、1架在返航時失蹤，1架迫降在重巡附近，另有5架受損嚴重，其余都帶傷，只有8架輕傷的能再次出動；蒼龍號航空母艦的9架戰斗機完好無損，艦攻機隊有1架被防空炮擊落、1架迫降在飛龍號后被注銷、2架迫降在戰列艦附近、14架返回母艦的有4架無法再用，最后只有10架輕傷的能再次出動；赤城號航空母艦的1架零戰被防空炮擊落、3架零戰受損，艦爆機隊全部著陸，但有1架受損嚴重報廢，4架帶傷；加賀號航空母艦的1架零戰和1架艦爆被防空炮擊落。日軍的第一波攻擊有11架飛機徹底損失、14架嚴重受損、29架傷情不一，飛行員方面20人陣亡或失蹤，多人受傷。機動部隊的航空力量折損約23%，照這個損失速度，再空襲2次中途島艦攻機隊就將全軍覆沒。
在東島，陸戰隊指揮部、餐廳和郵局被炸毀，水上飛機基地的發電站和輸油管道被嚴重破壞，跑道輕微受損但還勉強能用，機場旁邊的散兵坑被炸引發彈藥殉爆，4人犧牲。沖積島上的3座儲油罐被炸起火、基本設施如洗衣房、食堂、廚房、醫院、庫房等被炸毀，營房、水上飛機機庫等也受損嚴重，但是人員傷亡輕微。
中途島的反擊
6點49分左右，筑摩1號偵察機（負責54°方向）表示由于惡劣天氣被迫返航，而利根4號偵察機（負責100°方向）則處于未知原因偏離了預定航線。
由于日本艦艇的防空火力過于落后，艦隊防空一方面依賴艦艇自身的機動性進行躲避，一方面依賴巡邏的零式戰斗機對敵機進行驅逐和擊落。日本的零戰機組之間缺乏組織和協調，一方面其電臺過小而被棄用，一方面日軍航母上也沒有統一的指揮機構來協調零戰的行動。水面艦艇在發現敵軍來襲時，通常以釋放煙霧或者火炮射擊的方式來通知零戰。
永友的電報發來后，南云進一步加強了機動部隊的防空力量，四艘航母都放飛了更多的零戰以確保艦隊安全。7點10分，赤城號航空母艦的警戒哨發現了來襲的美國軍隊飛機。這是來自中途島的6架TBF魚雷機和4架攜帶魚雷的B-26轟炸機，他們分別沖向了飛龍號和赤城號準備發動攻擊（他們分屬海軍和陸軍，缺乏攻擊協調）。從赤城號上起飛的零戰沖向B-26機群，7架飛龍號的零戰也開始攻擊TBF機隊，蒼龍號航空母艦和加賀號航空母艦的部分零戰也參與了攔截進攻，總共有超過30架零戰向美軍機群撲去。赤城和飛龍號轉向規避，利根號、筑摩號、長良號巡洋艦的對空火力也提供支援。美軍飛機遭到日軍戰機一面倒的攻擊，大量戰機被擊落，僅有2架B-26和3架TBF勉強投放了魚雷，2枚射向赤城號航空母艦、2枚射向飛龍號，1枚射向長良號，全部失的。一架B-26轟炸機逼近赤城號進行掃射后墜毀，造成赤城號上2人陣亡；而另一架負傷的B-26直接撞向赤城號的艦橋，最終失去控制與赤城號擦肩而過墜入大海。這次進攻美國軍隊2架B-26和5架TBF被擊落，日軍則損失2架零式戰斗機。
赤城號是南云忠一的旗艦，他和機動部隊的整套指揮體系都在赤城號的艦橋上，如果嘗試撞擊的B-26距離再偏10英尺，一航艦的指揮官們就將全部報銷。7點10分，南云下令第二波空襲的戰機全部換裝炸彈。此時一航戰已經有43架飛機裝上了魚雷，更換炸彈的命令讓軍械師們開始卸載魚雷，并用推車將魚雷送回彈藥庫。為了節約時間，這些魚雷被卸載在彈藥升降機附近的架子上，再用推車將升降機上的炸彈運回飛機進行掛載。此時的炸彈還處于散件狀態，軍械師需要進行組裝。與此同時，四艘航母的甲板上依舊在不停的起降零式戰斗機進行油料和彈藥補給，到7點25分，共放飛了31架。在7點30至40分時，四艘航母開始清理甲板準備迎接友永機隊的降落。
7點40分，利根4號偵察機發來訊息：發現左方約10艘軍艦，方位10°（以中途島為基準），距離中途島240海里，航向150°，航速20節以上。實際上，利根4號發現的是第16特遣艦隊。5分鐘后，這封電報到達赤城號航空母艦的艦橋，南云立刻下令叫停了一航戰中魚雷換炸彈的操作。7點47分，南云向利根4號發出了“保持接觸”的命令。這份命令是明碼拍發的，美國軍隊在夏威夷接到了這些電報。7點45分時，一航戰的魚雷換炸彈已經完成了約1/3，約有30架艦攻機扔掛載著魚雷（赤城號12架、加賀號航空母艦18架）。在8點左右，機動部隊的機庫中仍有47架零戰處于機庫中（赤城號12架、加賀號18架、飛龍號航空母艦8架、蒼龍號航空母艦9架）。
就在南云思考下一步該如何作戰時，7點53分，霧島號釋放了煙幕。亨德森少校率領16架來自中途島的SBD轟炸機開始接近機動部隊。這些美軍飛行員是在數天前才首次駕駛SBD的，并不具備俯沖轟炸的技術，因此他們升到9500英尺的高空準備對二航戰進行滑翔轟炸。當時日軍負責防空的零戰僅有9架，但是它們對美國軍隊發動了有效的攻擊，瞬間擊落了對方6架，其中包括亨德森的座機。剩余的SBD隊形大亂，只能各自發動攻擊。飛龍號航空母艦周圍落下了大量炸彈，但是無一命中。
就在亨德森的SBD機群投彈后被零式戰斗機追殺時，美國陸軍的B-17重型轟炸機飛臨機動部隊上空。這些B-17的飛行高度為2萬英尺（約6000米），零戰需要很長時間才能從剛才戰斗的低空爬升到這個高度。所以B-17分為3組，從容不迫的對赤城號航空母艦、飛龍號和蒼龍號航空母艦投下了炸彈。然而投彈高度過大，這些航母在它們投彈后有30秒完成轉向回避，因而這次轟炸全部失的。
7點58分，南云再度收到利根4號發回的報告，稱美國軍隊艦隊轉向到80°，南云立即回復：報告敵艦類型。
此時永友的空襲機隊已經接近母艦，他們發現了正在返航的SBD機隊并進行了攻擊。美軍的SBD機群最后生還8架，日軍損失了1架零式戰斗機。8點08分，赤城開始放飛3架零戰，加賀號航空母艦在8點15分放飛了5架零戰。由于日軍的航母正在不斷放飛新的零戰以補充防空力量，永友機隊不得不在戰場外繼續盤旋等待。
8點11分，利根4號又發來電報：“敵軍艦隊有5艘巡洋艦和5艘驅逐艦”，10分鐘后又發了一封電報“敵軍似乎有一艘航母殿后”。
8點24分，中途島上的11架SB2U轟炸機也開始接近日軍艦隊。11架執行護航任務的零戰迅速進行截擊，美國軍隊只好選擇距離最近的榛名號戰列艦進行攻擊，但沒有直接命中，只留下了5-6顆近失彈。而他們有2架被擊落。
8點30分，南云下令要求為艦爆機準備250kg半穿甲炸彈。8點32分，赤城號航空母艦號和加賀號航空母艦上放飛了一波新的零戰。蒼龍號航空母艦上出動了一架新型的彗星D4Y以查明美軍航母的具體情況。8點37分，赤城號升起旗幟示意甲板開放，友永仗市的機隊終于可以降落了。友永的機隊中有許多在戰斗中受傷的戰機和飛行員，到這個時候他們已經飛行了近四個小時。大部分飛機的燃油即將耗盡，尤其是機翼受傷的飛機更是難以支撐。因此它們需要盡快降落以減少損失，飛機的收容作業不僅僅是需要時間來回收飛機，還要花費時間將飛機收到下面的機庫中去。每艘航母至少需要二十分鐘的時間來完成這項工作。。
不久后，利根4號偵察機發報要求返航，他的油料已經不多了。在此之前的8點15分，美國軍隊艦隊的雷達發現了利根4號，并引導巡邏的戰斗機攔截，利根4號被迫躲入云層。
8點45分，利根4號報告他發現了另外兩艘巡洋艦，這其實是美軍第17特艦的邊緣，但他自己并不清楚實際情況。筑摩號巡洋艦此時也開始派出另一架零式水上偵察機前往他的方位以進一步偵察美軍的動態。5分鐘后，利根4號再度要求返航，但是南云命令他繼續跟蹤美軍并保持通訊暢通。8點55分，利根4號回電確認并通報“10架魚雷機正飛向機動部隊”。此時南云也向坐鎮主力部隊的山本五十六發回了戰斗報告：“8:00，在中途島方向10度，距離中途島240海里，發現1艘航母、5艘巡洋艦、5艘戰列艦組成的敵艦隊，我們正朝敵軍前進”。此時的山本在大和號戰列艦上已經全部掌握了南云和利根4號往來的電報，但是并未直接干預南云的指揮。
在此過程中，南云陸陸續續完成了友永機隊的收容：加賀號航空母艦于8點50分完成，赤城號航空母艦8點59分完成，二航戰則于9點10分完成。
9點17分，南云將艦隊的航向調整為70°，以22節航速繼續向中途島靠近。3分鐘后一支新的美軍戰機編隊襲來。
鸚鵡螺號的攻擊
由美國威廉·H·布洛克曼（William H. Brockman Jr）少校指揮的鸚鵡螺號核潛艇（USS Nautilus，SS-168）一直以潛望深度潛行，航向西南。它在7點10分的時候，觀察到來自西北方向的爆炸產生的煙和從水平線處發射的高射炮彈，并以此精確定位了機動部隊。在7點55分的時候，布洛克曼少校成功地發現了地平線上的桅桿。但是，潛艇也被一架眼光銳利的巡邏警戒的零戰發現，并遭到了這架零戰的掃射。布洛克曼立刻將潛艇下潛到了100英尺的深度，繼續保持追蹤。
8點，潛艇指揮官布洛克曼少校共發現了4艘軍艦，辨認為一艘扶桑級戰列艦和3艘巡洋艦（實際為霧島號戰列艦戰列艦、長良號輕巡洋艦和2艘驅逐艦）。布洛克曼決定攻擊戰列艦，因此他改變航向向目標前進。但是，他的潛望鏡再度被一架負責警戒的日軍飛機發現，一架負責反潛的95式水偵向他投彈。日軍的兩艘軍艦也趕了過來。鸚鵡螺號成功地阻撓了機動部隊。因為它在水下潛行的時候，機動部隊臨時改變成向東的航向，結果直接向美國軍隊艦隊靠近。長良號在8點10分投放了5枚深水炸彈，7分鐘后又投下6枚。鸚鵡螺號緊急下潛到90英尺（27.43米）規避，長良號又投下了9枚深水炸彈。8點15分，鸚鵡螺號找到機會在4500碼（4114.8米）的距離上向霧島號戰列艦發射了2枚魚雷，由于之前深水炸彈的影響只有1枚射出，霧島號緊急左轉成功規避。8點30分，長良號繼續向鸚鵡螺投擲深水炸彈。
9點，鸚鵡螺科號再度升起潛望鏡，發現了約16000碼（14630.4米）外的蒼龍號。就在鸚鵡螺號向蒼龍號航空母艦靠近時，又遭到了長良號的攔截，他向長良號發射了魚雷但未命中，只好再次下潛。日軍的嵐號驅逐艦前往驅逐鸚鵡螺號。
美國航母出擊
機群出動
TF-17
在接到中途島PBY的偵察報告后，美國軍隊航母艦隊司令法蘭克·弗萊徹命令斯普魯恩斯的第17特遣艦隊盡快發起攻擊。美軍的航母互不統轄，他們的艦載機隊由各自的航母艦長進行指揮。
大黃蜂號航空母艦先放飛了航程較短的戰斗機隊VF-8，然后是俯沖轟炸機隊VB-8和魚雷機隊VT-8，當他們完成集合后，VF-8已經在空中盤旋等待了45分鐘。大黃蜂號的機隊在7點55分出發。大黃蜂機隊起飛后按飛行隊長斯坦厄普·瑞（負責指揮VS-8、VB-8、VF-8、VT-8）的命令全部向西飛，而不是向最新報告的日軍方位前進。VT-8的指揮官約翰·C·沃爾德隆對瑞的飛行計劃有所不滿。在8點25分的時候，沃爾德隆脫離飛機大隊編隊，單獨率領他的VT-8中隊轉頭向左，航向246度。在機動部隊的航向調整為70度后，VT-8正好是直接沖向機動部隊。VT-8脫離大部隊單獨行動，使得他們完全失去了戰斗機的掩護。而大黃蜂號航空母艦的其他中隊一直向西飛行，VF-8在9點15分燃油不足先行返航，10點左右他們發現了第16特艦的尾流，但以為這是日軍的，10點15分左右他們油料耗盡相繼在海上墜毀，1人死亡、1人失蹤，其他人被PBY救起。。
企業號第一波首先升空了航程較遠的俯沖轟炸機隊：理查德·哈爾賽·百斯特少尉率領的轟炸機隊VB-6和威爾默·厄爾·嘉萊赫少尉率領偵察轟炸機中隊VS-6，然后第二波是航程較短的魚雷機VT-6編隊，這花費了他們較長的時間，兩波飛機選擇了不同的航向。企業號的轟炸機隊是單獨行動的，由克拉倫斯·韋德·麥克拉斯基少校率領，他們在7點52分出發，航向231°。后起飛的VT-6編隊選擇了240°航向，他們逐漸與轟炸機隊失去了聯系。而企業號的戰斗機中隊VF-6則一直跟著大黃蜂號航空母艦的VT-8飛行。
兩艘航母共放飛了67架SBD、29架TBD和20架F4F戰斗機。
TF-16
弗萊徹的第16特遣艦隊則一直在等待PBY進一步報告日軍航母的具體信息，然而一直無果。弗萊徹在8點38分下令約克城號航空母艦發動攻擊。約克城號出動了由蘭斯·愛德華·梅西少校指揮的魚雷機中隊VT-3（12架TBD）、麥克斯韋·萊斯利少校指揮的俯沖轟炸機中隊VB-3（17架SBD）和約翰·史密斯·薩奇少校指揮的戰斗機中隊VF-3（6架F4F）。機群在9點06分完成集結后按240°航線飛行，偵察轟炸機編隊VS-5作為后備力量應對可能發現的其他日軍航母。
弗萊徹推測此時日軍應該位于北緯30°西經179°，距離17特艦150英里，航向240°，他為約克城號航空母艦的機群制定了先向西南飛過這個點，然后向西北的搜索最后從東北地區方向返回母艦的飛行計劃，確保無論什么狀況都能發現日軍航母。
魚雷機隊進攻
VT-8
9點20分，VT-8發現了南云的機動部隊。此時機動部隊正在向左轉向西方以背對VT-8，上空有18架護航的零式戰斗機。為了應對新的威脅，加賀號航空母艦上起飛了2架零戰，赤城號航空母艦在接下來的17分鐘放飛了兩批共9架零戰。VT-8的15架TBD發動進攻時面對的是3艘航母，沃爾德隆率隊沖向了中間的蒼龍號航空母艦，并將機隊分為兩組準備夾擊蒼龍號。此時21架零戰撲向了VT-8，VT-8為了自保被迫重新集合在一起互相掩護。然而在零戰的打擊下，VT-8中隊全軍覆沒，僅有喬治·H·蓋伊少尉（George H. Gay Jr）的飛機發射了魚雷但并未命中，他也遭到了零戰的圍攻，后座炮手被殺死，飛機墜海后他藏在黑色座椅下躲過了日本人的搜索。后來蓋伊目睹了海上發生的一切。
在VT-8被零戰屠殺之前，來自企業號的戰斗機中隊VF-6正在后面準備提供掩護，由于他們飛得更高，且兩隊之間無法通訊，然后由于云層遮擋他們跟丟了VT-8，也沒有收到VT-8的呼救電報。反而是VB-8中隊的指揮官羅伯特·R·約翰遜少校收到了呼救電報，經過計算后他率隊轉向東南搜索。然而此時南云艦隊轉向東行，VB-8再次錯過了目標。油料告急的VB-8開始轉向東北地區返回大黃蜂號航空母艦。此時他們遇到一架中途島的PBY正在閃爍信號給他們指引飛往中途島的航線，約翰遜帶隊返回中途島。他的參謀長阿爾弗雷德·B·塔克上尉收到了大黃蜂的導航信標，帶著自己小隊的3架飛機返回了大黃蜂號。約翰遜的機隊在途中有1架故障、2架油盡墜海，降落時被精神敏感的中途島防空部隊擊落了3架，最后有9架成功著陸。
大黃蜂機隊的指揮官瑞中校帶領著VS-8則在9點20分VB-8離群時繼續向西飛，直到9點30分燃油告急后返航。最終他們在11點18分后陸續回到了母艦上。至此大黃蜂號航空母艦的編隊損失總共超過了一半，除了VT-8全軍覆沒外，其余都是非戰斗損失。
在VT-8發動進攻的期間，由于甲板上仍在頻繁地起降零式戰斗機，二航戰的軍械師們只好在機庫中給艦爆機加裝炸彈，以便在發動進攻時節約5-10分鐘的時間。
9點18分，鸚鵡螺號為了擺脫嵐號的追逐下潛到了200英尺（60.96米）。9點33分嵐號投下了一串深水炸彈后返回機動部隊。鸚鵡螺號一直躲到9點55分才重新上浮到潛望深度。
VT-6
9點38分，來自企業號的魚雷機隊VT-6從機動艦隊南側進入戰場，他們原本是VF-6的護航對象。VT-6選擇位于最西南的加賀號航空母艦作為攻擊目標，他們分成了各有7架的兩組，指揮官尤金·E·林德賽少校和分隊長亞瑟·艾迪上尉各率一組從東西兩側包夾加賀號。此時機動部隊上空約有30架零戰，但大部分都被VT-8吸引到了東邊正在往回趕，加賀號也開始整備6架零戰起飛應急。位于東側的艾迪組先遭到零戰的打擊，僅有2架發射了魚雷。此時西側的林德賽組尚未受損，TBD的機體較為堅固，零戰在攻擊艾迪組時耗盡了20毫米航空機炮彈藥，僅有的7.7毫米機關槍對他們威脅不大。然而9點45分，赤城號航空母艦上新起飛的的3架零式戰斗機和加賀號航空母艦上剛起飛的6架加入戰斗，VT-6絕望地呼叫戰斗機支援，然而無人響應。林德賽組4架被擊落，3架在極限射程上發射了魚雷，被加賀號輕松躲過。VT-6的攻擊一直持續到10點，最后僅有5架飛機逃離戰場，其中1架無法返航，另一架在降落后也被報廢，林德賽和艾迪都陣亡了，企業號僅剩3架魚雷機可用。
此時仍在戰場東側徘徊的VF-6再次沒收到信號，9點52分，他們的燃料消耗過半返航。他們向企業號報告稱發現了2艘日軍航母。
VT-3
在戰場東側，約克城號航空母艦機隊開始進入戰場，他們是一支完整的作戰編隊。在發動攻擊前，VT-3、VB-3和VF-3保持了目視協調。10點03分，他們發現了西北方向升起煙霧，于是全部轉向沖了過去。
10點10分，赤城號航空母艦轉向90°并開始放飛零戰進行攔截。此時空中巡邏的零戰為36架，隨后增加到42架。這些戰斗機大部分聚集在艦隊西南側的加賀號航空母艦附近驅逐VT-6。此時日軍艦隊的4艘航母從西南到東北地區依次排列：加賀號、赤城號、飛龍號航空母艦和蒼龍號航空母艦，它們都在緊急起飛零戰并轉向西北航行，赤城號和加賀號航速22節，飛龍號和蒼龍號34節。
約克城機隊立刻引起了零戰的注意，大約有15-20架零戰參與攔截。VF-6中隊的F4F野貓戰斗機很快就被擊落一架。VF-3指揮剩余的戰斗機采用了一種新的防御配合機動，被后世稱為“薩奇剪”。3架F4F互相俯沖和滾轉，攻擊尾隨隊友的零戰。瞬間打出了3比1的交換比，更多的零戰被吸引過來。與此同時，VT-3逐漸脫離了VF-6的掩護范圍，乘著大量零戰的注意力集中在VF-3的時候下降到發射高度并接近飛龍號。
10點35分，VT-3的靠近飛龍號航空母艦發動攻擊，5架TBD在距離600-800碼（548.64-731.52米）上發射魚雷，持續了約5分鐘。然后他們在零式戰斗機和防空火力的打擊下大多被擊落了，發射的魚雷也無一命中。VT-3的12架TBD僅有2架生還。飛龍號的防空火力還誤傷了一架零戰。
俯沖轟炸機隊進攻
VB-3
就在飛龍號回避VT-3的攻擊時，蒼龍號航空母艦右轉向東起飛零戰，正好處在VB-3的航線上。VB-3的13架SBD開始對準蒼龍號俯沖（另4架因技術故障事先拋棄了炸彈）。
10點24分，蒼龍的警戒哨發出“敵軍俯沖轟炸機，注意云層間隙”的尖叫。VB-3的一架SBD從陽光中鉆出，從右側開始向蒼龍號撲來，500米后緊接著是第二架SBD。飛龍號航空母艦的高射炮角度不足，于是迅速左轉。VB-3在4000米高度上開始一架接著一架俯沖，第一枚炸彈命中了蒼龍號艦艏右舷，艦橋前部的甲板，艦橋上傷亡慘重。第二枚炸彈穿透了飛行甲板中央，一直鉆到鍋爐房，一朵巨大的白煙從艦體中部噴出。第三枚炸彈落在艦尾爆炸。
在重創蒼龍號航空母艦后，VB-3的飛機還對附近的日軍艦艇進行了攻擊，3架（其中1架無炸彈）攻擊了榛名號戰列艦，2架攻擊了磯風號驅逐艦，都未命中。
VB-3全員毫發無損的返回了自己的母艦，有兩架飛機因燃油耗盡而迫降海面。
VB-6和VS-6
10點，企業號航空母艦的俯沖轟炸機隊和約克城號航空母艦的俯沖轟炸機隊從兩個方向上同時接近了機動部隊。此時整個機動部隊的注意力都在約克城號的機隊上，并未注意到企業號的VB-6和VS-6機群。麥克拉斯基率領的企業號的機隊原本預計在9點20分發現日軍，而實際上此時的日軍在他們正西側。9點35分，麥克拉斯基將航線改為315°。20分鐘后，麥克拉斯基在東北地區方向發現了艦艇的尾流，這是嵐號驅逐艦攻擊鸚鵡螺號返航時留下的。于是麥克拉斯基跟了上去，10點02分，麥克拉斯基發現了機動部隊。企業號機隊從機動部隊西南側靠近，高度19000英尺（5791.2米）。
在約克城號機群吸引著機動部隊注意力時，企業號的轟炸機隊開始發動進攻：麥克拉斯基命令VS-6和他一起攻擊距離較近的加賀號航空母艦，VB-6攻擊較遠的赤城號航空母艦。此時VB-6的指揮官百斯特電報提醒麥克拉斯基注意軍事行動準則，或許是兩人同時使用電臺通訊產生了沖突，結果VB-6和VS-6同時開始向加賀號俯沖下去。
10點19分，飛龍號航空母艦的瞭望哨發現了從4000米高空急轉直下的美國軍隊戰機，并向加賀號發出了預警“敵俯沖轟炸機正在你的上空！” 此時的加賀號正在進行零戰整備，提速到24節準備放飛。隨著本艦瞭望哨的預警，艦長立刻下令向右轉向。高射炮也在不斷開火，她命中了第6架SBD。然而更多的SBD呼嘯而下，前3架的炸彈并未命中，第4架SBD的500磅炸彈命中了加賀號后升降機邊上的甲板，在乘員艙爆炸后引發大火。第7架SBD的1000磅炸彈命中了前升降機，擊穿甲板后在機庫中爆炸。艦長在艦橋中親自操縱，但發現航母已經失控，他命令啟動發動機應急操舵裝置，并讓人去船尾看看損傷情況。就在此時，艦橋也被一發500磅炸彈命中，艦上的高級軍官全軍覆沒。同時，另一枚炸彈命中了艦體中部左舷。美軍的SBD機群還在轟炸，瞄準未被命中的關鍵部位，總計50顆炸彈的攻擊一直持續到10點22分，具體的命中情況難以詳述，可目擊確認的至少有5枚。地獄般的場景另日軍其他航母上的人陷入震驚之中。
就在麥克拉斯基機群開始向加賀號航空母艦俯沖時，百斯特發現了問題。他拉起了機頭停止俯沖，他小隊的另外兩架飛機也跟著停止了俯沖。在觀察到加賀號被重創后，百斯特開始尋找新的目標。他的小隊開始向赤城號航空母艦發動攻擊。由于之前動作他損失了一些高度，他瞄準赤城號的艦島開始攻擊，另兩位則分別瞄準了艦艏的日之丸標志和艦艉的一架零戰。赤城號此時正向北航行，發現空襲后緊急右轉。第一枚炸彈緊貼艦島右側墜海，百斯特的第二枚命中艦體中部升降機后緣，第三枚則擦過艦艉右側墜海。
在完成攻擊之后，企業號航空母艦的轟炸機隊開始返航，由于燃油不足，他們無法爬升到高空接受企業號的導航信號。于是前往預定的匯合海域，然而企業號并未抵達，他們也接連墜海，后續的幾天中被路過和巡邏的美國軍隊艦艇和PBY陸續救起。VS-6的4架機組人員失蹤，企業號最終損失了21架SBD。
美國海軍的第一輪空襲總計損失了70架飛機，包括12架F4F戰斗機、21架SBD和37架TBD，占出動總數的40%，好在大部分飛行員獲救。此時美國軍隊總共能用的SBD總數還有60多架，而完整可用航空力量僅有約克城上的VS-5中隊，17架SBD。其余的都需要重新集結和維護。
11點15分，VB-3返回航母并向弗萊徹報告稱擊沉了一搜航母，TF-16的斯普魯恩斯也發來了戰報。弗萊徹推測此時日軍可能還有2艘航母，11點33分，他重新部署了偵察計劃，11點50分，VS-5的10架SBD和為艦隊護航的F4F完成升空。
日軍掙扎反擊
航母大火
損管設計
日本航母較為易燃，由于鋼材需要進口，因此艦上的家具和物品多為木質等易燃物，航母甲板也是木質。為給飛機供油，艦艏和艦艉各有一個大型儲油艙分別存有高辛烷值和低辛烷值的燃油，在甲板上布置了12個加油點，上層機庫22個，下層20個，燃油管路呈網狀分布。兩個儲油艙是拼接到船體上的，因此容易破損或解體。彈藥庫也相似，高爆彈藥庫布置在艦艏和艦艉，魚雷庫則根據航母不同緊鄰其中一個高爆彈藥庫。
在防火措施上，日軍航母機庫和彈藥庫也有防火卷簾可以將整體橫向隔成多個空間。泡沫滅火系統由底層機械室的主環管道控制，由管道連接到機庫的噴頭，但是主管道僅在船的兩側各布置一條且容易破裂。在容易沉積油氣的底層機庫，日軍航母還安裝了二氧化碳溢出系統，底層機庫18%的空間為二氧化碳儲罐。
在人員培訓上，日軍航母的損管主要由艦上的兩名高級工程長官和消防隊伍負責，其他人員并不接受相關培訓。其余官兵并不了解如何損管。
加賀號
加賀號航空母艦在被命中后，甲板下方的損管人員沖進機庫滅火，他們發現根本無法隔離火場，因為整個機庫到處都是火。爆炸的沖擊波破壞了艦體兩側的主消防管路，無法噴出泡沫。此時機庫中到處散落著大量之前換彈作業留下的彈藥：至少20枚魚雷、28枚800kg炸彈、40枚250kg炸彈。由于封閉式機庫設計、升降機也受損無法使用，這些彈藥無法運輸和拋棄。燃油的威脅更大：輸油管多處破裂，燃油不斷溢出和流淌；加滿燃料的飛機周圍還散布著10000加侖（37.85立方米）的燃油；機庫溫度在不斷升高，燃油正在不斷揮發，幾分鐘后就發生了劇烈的殉爆，巨大的橙黑色火球升上天空，并接連產生了至少6次巨大爆炸。
此時的加賀號依舊在以2-3節的航速向北行動。11點40分，加賀號的大火已經完全失控，損管人員徒勞地與大火搏斗。12點50至13點左右，加賀號終于停了下來。13點25分，艦上的天皇氏肖像被移往萩風號驅逐艦。
鸚鵡螺號注意到了加賀號已經失去動力，船殼并未受損，火勢仿佛也控制住了，于是決定發起攻擊。13點59分，鸚鵡螺號向加賀號發射了4枚魚雷。加賀號上的人看到了來襲的魚雷但毫無辦法。然而4枚魚雷中有一枚發射失敗，2枚擦過加賀號的船頭和船尾并未直接命中，最后一枚命中了加賀號航空母艦中部，然而并未爆炸。這枚魚雷斷成兩節，頭部沉入海底，尾部在海面上飄著。一些落水的船員抓住了魚雷尾部作為“救生筏”。護航的萩風號驅逐艦立馬沖向鸚鵡螺號，日軍驅逐艦對其進行了至少2個小時的圍攻，先后投下了42枚深水炸彈，讓其痛不欲生。
15點，南云向山本五十六報告，加賀號已經喪失行動能力，幸存官兵轉移到驅逐艦上。
蒼龍號
蒼龍號航空母艦的機庫被設計為3個防火區，美軍的轟炸使得每個區都命中了一枚1000磅炸彈，無法進行隔離防火。第一枚靠近艦艏，摧毀了機庫右舷并點著了彈藥準備室。中部的第二枚1000磅直接穿透到底層機庫，這里是艦爆機隊的核心。這枚炸彈將左舷指揮艙摧毀，右舷的煙囪隔板受損并連帶鍋爐倒塌，附近的人瞬間被高溫蒸汽殺死。后部的第三枚炸彈命中4號機庫區，引爆了停放的艦攻機。機庫從頭到尾一片火海，甚至蔓延到了鍋爐艙，根本沒有辦法展開滅火作業。而從外部甲板上只能看到從破洞中冒出的濃煙，無法估計內部的受損情況。
蒼龍號已經失去了所有的動力，10點40分時側傾在海面上，濃煙從左舷不斷涌出，機庫已被燒凈。10點45分，蒼龍號艦長柳本柳作大佐下令棄艦，然而艦上通訊已經阻斷，人們只能自發逃生。
11點12分，筑摩號派出快艇靠近蒼龍號，送上了消防隊員和醫護人員。
赤城號
赤城號航空母艦看起來并未嚴重受損。百斯特的炸彈摧毀了機庫和中部升降機之間的防火簾，還炸毀了40毫米高射炮的彈藥庫。機庫中堆滿了掛著魚雷的艦攻機和剛回收的艦爆機。10點29分，艦長青木泰二郎下令向炸彈和魚雷庫灌水。前庫灌水順利完成，艦艉則由于近失彈的波及，閥門無法開啟，后部彈庫無法灌水。3分鐘后，赤城號嘗試使用底部機庫的二氧化碳進行滅火，但是一次性的二氧化碳填充并不能解決上層甲板的火勢，本身也在不斷逸散，效果不斷降低。
10點40分，赤城號仍能維持3節速度航行，但是舵面卻卡死在30°不動：艦艉的近失彈對艦體結構產生了影響。艦長下令關閉發動機，機械長下令人員從發動機艙撤離。
不久后，大火沖出機庫。10點43分，甲板上的零戰被引燃，由于它們靠近艦橋，南云和他的參謀們應該撤離了。但是南云拒絕將旗艦轉移到其他船上，艦橋爆發了一場爭執。青木艦長勸一航艦參謀長草鹿龍之介：“長官，我是艦長，我會全權照料航母。因此，我命令你、南云司令官、以及其他參謀們盡快離開。只有這樣，才能保證部隊有人指揮。”草鹿鼓起勇氣向南云施壓，并指出航母明顯撐不住了，也無法用于指揮戰斗，并提醒南云還有任務要完成。南云最終妥協了。此時艦橋后部和兩側都被大火包圍，有人找到一根繩子栓到前方窗戶上，所有人順繩逃生。野分號驅逐艦和長良號輕巡靠近過來，讓南云和參謀們登上了長良號。
11點27分，南云登上長良號，他希望長良號能帶著赤城號航空母艦脫離戰場。長良號艦長勉強接受了命令，但委婉的指出這樣比較麻煩。11點30分，赤城號航空母艦艦長下令將飛行員和傷員轉移到野分號和嵐號上，35分，機庫中再次發生大爆炸并助長了飛行甲板上的火勢。消防人員依舊在搶救航母，似乎有一些修復的希望。12點03分，赤城號的引擎突然重啟，雖然前往查看的軍官發現發動機艙傷亡慘重，仍有部分幸存者可能先聚集到艦艉，然后返回嘗試修復系統。13點，后彈藥庫也完成了灌水，由于水管失效，這次灌水應該是有人手動完成的。13點38分，艦上的天皇氏肖像被送往野分號。13點50分，赤城號終于停了下來。15點，機庫前端升降機附近再度發生爆炸，損管作業徒勞無功。
重新集結
在南云轉移到長良號的時間，機動部隊的指揮權暫時交到了第八巡洋艦隊司令阿部弘毅少將手中。10點45分，筑摩號發來消息，她的5號偵察機又額外發現距中途島130海里處有美國軍隊巡洋艦和驅逐艦各5艘。阿部將此消息和機動部隊受損的消息和下一步行動計劃都上報給山本五十六。收到消息的山本嘆息了一聲，在旁人看來，山本仿佛變成了石頭人，面部不斷抽搐著。
10點50分，山口多聞收到阿部給他“攻擊敵方航母”的命令。在5分鐘前，山口的機隊就開始了準備：由小林道雄大尉率領的機隊將從飛龍號航空母艦上起飛前往攻擊美國軍隊航母。他的力量包括2個中隊的18架艦爆和重松康宏大尉率領的6架零式戰斗機，他們已經等不及艦攻機的裝彈了。艦爆隊中的1/3裝備242kg的高爆炸彈用以壓制艦體表面的高射炮組，2/3裝備了反艦用的250kg的半穿甲炸彈。
10點58分，飛龍號向東航行，開始放飛小林機隊。此后，飛龍號一直以約30°航向向東北航行，并收容了7架赤城號航空母艦的零戰。不久后，他們又收到了利根4號的偵察報告。飛龍號發出通知：敵人就在我們艦隊70°方向，相距90海里的位置。11點20分，山口向其他艦艇發出信息：第二波18架艦爆和5架零戰已經起飛，預計小時內將再起飛9架艦攻和3架零戰，飛龍號航空母艦將沿原路線繼續向敵人靠近。10分鐘后，山口再度要求巡洋艦的偵察機繼續監視美軍動向。筑摩5號偵察機已經取代了利根4號跟蹤第17特艦，另一架負責偵察的彗星艦爆則發現了第16特艦，然而他的電臺故障無法發出訊息。
偵察機的報告顯示美國軍隊依舊在向日軍接近，南云和阿部都傾向于使用戰列艦與美軍進行水面炮戰。11點30分，南云在長良號上升起將旗，恢復了對艦隊的指揮。他現在有1艘航母、2艘戰列艦、3艘巡洋艦和5艘驅逐艦，開始重組陣型。此時磯風號驅逐艦和濱風號護衛蒼龍號航空母艦，野分號和嵐號護衛赤城號，萩風號和舞風號護衛加賀號。在當時南云的視野中，蒼龍號航空母艦完全癱瘓，赤城號航空母艦和加賀號能否修復尚未可知。在戰機數量上（包括飛龍號航空母艦已經放飛的小林機隊），飛龍號上有10架零式戰斗機、18架艦爆和9架艦攻，空中還有27架零戰，總共64架戰機可以作戰。
11點47分，山口命令“留下一艘驅逐艦給受傷的航母護航，其他人沿作戰航線前進。”此后的幾十分鐘內，山口又命令自己的部隊集合。近藤信竹的中途島攻略部隊也在12點發來消息，正在以28節航速向機動部隊會合，次日凌晨將抵達戰場。
坐鎮主力艦隊的山本五十六在12點20分下令：主力艦隊支援南云，近藤的中途島攻略部隊炮擊中途島機場，此時正在阿留申群島進行AL作戰的第二機動艦隊南下支援中途島戰場。然而此時第二機動艦隊正在攻擊荷蘭港，完成機隊收容和艦隊加油后南下需要等到第二天。
攻擊美軍航母
攻擊約克城號
10點57分，飛龍號航空母艦艦爆機隊指揮官小林道雄帶領6架零式戰斗機和18架艦爆從飛龍號出發。11點32分，筑摩5號偵察機給他們提供了目標指引。10分鐘后，飛龍號也再度發來指引信號。此時，他們發現了企業號的SBD正在返航。零戰經過請示后向美國軍隊戰機發起攻擊，然而他們并未獲得戰果，自身反而有兩架嚴重受損被迫返航，其中一架成功一架墜海。另4架零戰則跟丟了小林的艦爆機隊。
11點52分，約克城號的雷達發現不明機群正向自己飛來。此時TF-17上空有20架F4F正在護航，他們沒有足夠的時間爬升和編隊，只能各自撲向日軍攔截。小林機隊被陸續到來的F4F沖散了陣型，并被接連擊落。此時零式戰斗機終于趕到，更多的美軍戰機也加入到空戰中。3架零戰被擊落，小林機隊僅剩7架開始攻擊約克城號航空母艦。此時美軍艦隊擺出一個環形，將航母圍在中間，用高射炮火力進行掩護。
第一組第一架艦爆從約克城號尾部發起攻擊，在投放242kg炸彈時被約克城號的1.1英寸機關槍擊中碎裂成3塊。它投下的炸彈落到航母中央升降機處爆炸，將機槍炮手炸死。第二架艦爆機也沿著同樣的方向攻擊，然后被美國軍隊高炮摧毀，殘骸和炸彈落在水面爆炸引燃了約克城號的艦艉。第三架土屋孝義駕駛的艦爆攜帶的是250kg半穿甲炸彈，以75°大角度俯沖攻擊，也未能命中。第二組的4架艦爆從約克城號右舷發動攻擊，約克城號航空母艦左轉規避。第一架沿著土屋的航線攻擊但是俯沖角度略小，未能命中。第二架命中了約克城號中部的鍋爐出風口，嚴重破壞了鍋爐艙，濃煙冒出，航速明顯下降。第三架從約克城號右舷船頭進行小角度滑翔轟炸，命中了約克城號的前部升降機。第四架瞄準約克城號右舷，炸彈擦過艦艇并未命中。這7架艦爆取得了3枚直接命中。小林本人的座機在F4F的攻擊下被迫丟棄了炸彈，在低空觀察戰場時被兩架F4F戰斗機擊落。
由于事先排干了油管中的燃料并填滿二氧化碳，約克城號上的新型損管措施首次發揮作用，這是從珊瑚海海戰中獲得的經驗。然而艦體此時仍需要進行滅火作業。在動力上，9臺鍋爐油6臺熄火，冒著濃煙在海面上飄蕩。機艙內正在緊急滅火，甲板上被炸出的大洞也開始修復。由于雷達損壞無法使用，艦橋也被煙霧埋沒，弗萊徹將旗艦轉移到重巡洋艦阿斯托利亞號上。約克城的護航戰機被迫前往第16特艦降落。
12點35分，企業號放飛了一波F4F進行巡邏。58分，來自約克城號航空母艦的F4F戰機來到第16特艦上空尋求降落。13點09分，大黃蜂號收容了從中途島返航的SBD機隊和來自約克城號的F4F戰斗機。一架F4F著艦時機關槍走火，打死了5人。斯普魯恩斯派出重巡洋艦彭薩科拉號、文森號和驅逐艦巴爾齊號、貝納姆號前往支援弗萊徹的第17特艦，他至此還不知道日軍航母的位置，無法安排出擊。
到了14點30分，約克城號航空母艦的損管作業已初見成效，火被撲滅，雷達修復，部分鍋爐重新啟動，航速恢復到了19節。
日軍再度出擊
12點10分，山口收到了（或因解碼延誤）小林機隊的電報：“上午，正在轟炸敵方航母”。山口命令艦隊中的其他偵察機就位，而此時僅有筑摩4號機可用，利根1號和4號均未完成整備。筑摩5號偵察機此時正在被美軍艦載機攻擊，不斷報告美國軍隊航母的位置和他自己的險境。12點40分再度發來報告：“在12°方向，距我起飛位置約130海里處發現兩艘敵艦蹤跡，似乎是1艘航母和1艘驅逐艦，向北航行，速度20節。”南云將機動部隊的航線同樣調整為向北20節，等待增援部隊的抵達。
與此同時山口再度收到了強擊機群的電報：“1艘敵方航母正在著火，視線范圍內沒有看到友方飛機，我正返航。”這是由第二艦爆隊中隊長中山俊松少尉發的，而不是帶隊的小林發報。說明攻擊機群遭到了嚴重的損失。13點整，嵐號驅逐艦審訊了落水的美軍飛行員——VT-3的韋斯利·弗蘭克·奧斯馬斯少尉。他供認了美國軍隊共有3艘航母，兩支艦隊的組成、珍珠港的美軍出動架次等信息（奧斯馬斯在當天下午被日軍處決）。與此同時彗星偵察機返回飛龍號，匯報美軍共有3艘航母分為兩支艦隊，第二支艦隊在小林機隊攻擊位置的南方。山口此時才知道他需要對付的是美國軍隊的3艘航母。
在明確了敵情后，南云在13點22分將艦隊航向從正北改為70°向東。此時飛龍號航空母艦在山口的指揮下處于艦隊的最前方。筑摩5號在13點14分再度報告稱看到了敵軍航母，航向20°，速度24節（推測為16特艦）。為了摸清美軍的具體部署，日軍再度派出偵察機：利根號負責90°和70°，筑摩號負責50°，榛名號負責30°，霧島號戰列艦負責10°方向。然而命令并未完全執行：榛名號的3架偵察機進行了30°-340°扇面搜索，霧島號則情況不明。
此時的飛龍號開始第二波艦攻機隊的整備，依舊由轟炸中途島的友永仗市帶隊。友永的座機在空襲中途島時受損，左翼油箱仍在漏油尚未修復。他拒絕了其他飛行員跟他換飛機的要求，表示美國軍隊距離只有90海里，只用右翼油箱就夠來回。13點15分，小林機隊的一架艦爆率先返航，此時航母上正在準備放飛而無法降落。他給艦橋發電報說明敵情：在80°方向、90海里外重創敵軍，敵艦隊有5艘重巡和1艘航母，后者正劇烈燃燒。山口多聞親自向將要出擊的飛行員下達作戰指令，攻擊其他未受損的美軍航母。13點30分，9架艦攻和6架零戰出發，其中2架零戰來自加賀號航空母艦。
飛龍號航空母艦完成第二波放飛后收容了返航的小林機隊。小林機隊出擊時有24架，返航的僅有6架：5架艦爆和1架零戰，這架零戰和1架艦爆已無法再用。飛行員們的報告也較為混亂，山口難以得知小林機隊的作戰細節。
14點09分，筑摩5號偵察機在兩架F4F的追擊下解體爆炸，無人生還。15點20分，利根4號再度報告了美國軍隊航母的方位。
友永仗市的機隊起飛后爬升到4000米高度后向東飛行。14點20分，第二中隊的橋本大尉用望遠鏡發現了在右側約10英里的距離外的美軍艦隊。這支艦隊正以90°方向向他們駛來，速度24節。友永和橋本都認為這是一支新的美國軍隊艦隊，他們并不知道這是剛修好的約克城號，于是決定對其發動攻擊。
早在13點55分，約克城號航空母艦的雷達就發現了友永的機隊，立即關閉了加油系統，此時甲板上的10架F4F戰斗機都只有不到20加侖燃油，其中2架損壞無法使用。此時空中還有6架巡邏的F4F，其中4架正對著友永的方向。約克城號緊急向第16特艦求援，被告知有8架F4F正在增援的路上。
友永機隊開始降低高度加速，他命令橋本的二中隊沿著航母北部邊緣飛行繞到船頭方向，自己則帶著一中隊攻擊左舷正橫方向。零戰也分成兩隊，各有2架為艦攻機隊護航。友永機隊遭到2架F4F的攻擊，后方的一架艦攻被擊落。隨后零戰將這兩架F4F擊落。此刻約克城號正背對著友永機隊航向東南，她的護航艦艇在3000米外圍成一圈，打出了漫天的彈幕攔截日軍戰機。
14點40分，友永再度命令橋本中隊與自己協同攻擊。友永機隊的4架艦攻在200英尺不到高度以200節的速度靠近，他將自己的中隊分成兩組，自己和僚機從右舷攻擊，另兩架攻擊左舷。此時約克城號航空母艦上剛起飛的F4F機隊趕來，薩奇擊落了友永的座機。友永在墜毀前發射了魚雷但并未命中。他的僚機也未能命中，并被3架從16特艦趕來支援的F4F戰斗機擊落。另兩架艦攻機也被F4F和高射炮火擊落，魚雷無一命中。其中一架負傷后撞向約克城號，但最終被F4F摧毀。
此時橋本中隊以V字隊形從彭薩科拉號重巡和拉塞爾號驅逐艦之間沖過，4架護航的零戰與F4F進行空戰，2架零式戰斗機被擊落。更多的F4F戰機也加入了攔截，另外兩架零戰也加入戰斗。橋本在100英尺高度和600米的距離上發射了魚雷，另外3架艦攻也同樣進行了攻擊。完成攻擊后的日軍機隊僅剩5架艦攻和4架零戰，其中3架艦攻受損過重恐怕無力返航。14點45分，橋本向飛龍號航空母艦報告了作戰結果。
約克城號航空母艦被命中兩枚魚雷：第一枚使3座鍋爐立刻受損，航母左派6°，但仍然保持向右轉向并下令將燃料轉移到右舷油箱以平衡側傾。30秒后第二枚魚雷命中了靠前一些的位置，發動機艙進水，全艦動力喪失。由于漏電故障，備用動力也很快停機。由于失去動力，約克城號的舵面停在左舷15°，艦體逐漸停止移動。由于第二枚魚雷使前注水泵停工，無法進行抗傾覆作業，約克城號航空母艦的側傾越來越嚴重，人員難以站立。17分鐘內，側傾就達到了23°。15點，約克城號艦長下令艦員們站到另一側。
15點40分，友永機隊返回飛龍號航空母艦，出擊的16架飛機中只有4架零戰和5架艦攻返回，其中2架零戰和3架艦攻報廢。友永仗市也未能返回，橋本等飛行員向山口多聞匯報作戰情況。16點，山口多聞聽取了橋本的作戰報告后向南云匯報：“兩枚魚雷命中了一艘企業級航母（不是之前轟炸過的那艘）”，16點半，山口再次向南云匯報：“飛龍號的第三波攻擊將在18點起飛攻擊敵軍”。但是南云下令機動部隊左轉，向西行駛。
15點45分，利根3號偵察機報告：好像是6艘巡洋艦，位于94°方向，航向120°，速度24節，距我起飛點117英里。5分鐘后，利根4號也報告稱發現了2艘航母，各有兩艘軍艦護航。15點55分，阿部弘毅少將向南云通報巡洋艦的偵察結果：敵艦位于114°，距離110英里。此時的筑摩號正在準備新的偵察機，筑摩2號機（95式水偵）在16點06分出發。
16點10分，利根3號和4號偵察機遭到約克城號F4F的攻擊，利根4號被迫躲入云層中，而利根3號在16點33分被擊落，無人幸存。
16點30分，卷云號驅逐艦撈起了落水的VS-6機組成員弗蘭克·福來哈迪準尉和炮手布魯諾·P·蓋博。他們被迫吐露了中途島的一些情報，但未交代關于航母情報，兩人隨后被處死（兩人被困在裝滿水的油桶中，掛在軍艦外側）。16點55分，阿部綜合評估后向南云報告：很明顯，敵軍特遣艦隊由2艘航母、6艘巡洋艦和8艘驅逐艦組成，已出動2架偵察機進一步偵察。而此時，大和號戰列艦上的命令再度發出，參謀長宇垣纏要求機動部隊報告情況。山本仍然希望機動部隊、中途島攻略部隊和主力艦隊匯合后可以繼續進攻中途島，并由機動部隊負責空中掩護。
飛龍號航空母艦還在準備第三次出擊的力量，現在僅有4架艦爆和5架艦攻可以使用。然而艦員都已精疲力竭（他們從凌晨2點30分開始作業，至今未歇），艦長開始給他們分配興奮劑。山口命令將攻擊時間推遲90分鐘，讓飛行員進餐和休息。就在此時，美軍的艦載機再度來襲。
美軍再出擊
TF-16攻擊
14點20分，VS-5的塞繆爾·亞當斯小隊飛出了SBD的極限偵察半徑后返航，10分鐘后，他們發現了飛龍號的位置。他報告日軍一艘單獨的航母位于自己出發點110英里（177.03千米），279°方向，方位北緯31°15′，西經179°05′（飛龍號的實際位置偏西約38英里）。
獲得了亞當斯的報告后，第16特艦立刻準備發動進攻。企業號在15點25分放飛了一大群SBD：包括來自約克城號航空母艦VB-3中隊的15架、企業號VS-6中隊的7架和VB-6中隊的4架。由嘉萊赫上尉統一指揮（機庫中還有5架完成整備的SBD被遺忘未能出擊）。而大黃蜂號航空母艦則處于混亂之中：14點56分開始機隊定位，但未收到企業號的命令而取消，轉而清空甲板收容了從中途島返回的VS-8和7架巡邏的F4F，當企業號15點17分要求她在15點30分出擊時，大黃蜂號無法出動任何載機。直到16點大黃蜂號才放飛了16架SBD，由埃德加·E·斯特斌斯上尉指揮，去追趕企業號的強擊機群。
16點30分，機動部隊上空盤旋著13架零式戰斗機，其中大部分是3分鐘前從飛龍號航空母艦上起飛的。其中一隊7架蒼龍號和加賀號航空母艦，另一隊4架來自赤城號，另外兩架也來自加賀號航空母艦，他們分別負責不同的高度。
16點45分，來自企業號的機群先是找到了正在燃燒的航母，接著就發現了前方40英里處的飛龍號。指揮官嘉萊赫帶隊從航母左舷繞到西側，背對太陽發起攻擊，他命令VB-6和VS-6攻擊飛龍號，VB-3攻擊榛名號。3分鐘后，美軍機群開始攻擊。
16點55分，南云下令艦隊轉向到120°，航速24節。6分鐘后，筑摩號就發現了企業號的機群并使用高射炮攔截，利根號、飛龍號航空母艦也接連開火。飛龍號調整航向右轉，將船頭對準美國軍隊機群迫使對方增加俯沖角度以避免脫離視野。空中的零式戰斗機也開始攔截，兩架SBD被擊落。加萊赫率領的VS-6超越了VB-6率先俯沖下去，然而由于飛龍號的轉向，VS-6的炸彈都未能命中。VB-3見狀也改變了目標，抽出幾架SBD攻擊飛龍號。百斯特率領的VB-6在被超越后暫停了俯沖，他的僚機也被零戰擊落，他跟在VB-3的機隊之后也加入了俯沖。VB-3領隊沙姆韋率先命中飛龍號，后續又有3架陸續命中。飛行員們都瞄準了艦艏的日之丸標志，因此全部命中了飛龍號航空母艦的前半部。
還未投彈的SBD尋找著其他攻擊目標，他們選擇了榛名號，但只留下了2枚近失彈。
飛龍號的飛行甲板被炸的向上翻起，隨后又被后續炸彈轟塌，前部機庫中的19架零式戰斗機和人員瞬間被炸死和燒死。一顆炸彈炸毀了前部升降機，沖擊波將升降機殘骸掀飛，撞到艦島上，迫使艦長和其他人逃到甲板上。發動機艙開始排煙，艦長下令動力組將艦艇駛離戰斗區域。此時飛龍號仍然保持著30節的航速，但是航行引起的大風使火勢逐漸蔓延，給消防工作帶了巨大的困難。
17點50分，大黃蜂號航空母艦上起飛的SBD機群趕到，他們對重巡洋艦筑摩號和利根號進行了攻擊，但未能命中。17點52分，來自中途島的6架B-17和來自珍珠港的6架B-17再次飛抵機動部隊上空，他們的投彈依舊未能命中。珍珠港的6架B-17燃油不足，因此在3600英尺（1097米）低空飛行，并對飛龍號進行了掃射，摧毀了一座高射炮臺。B-17的攻擊一直持續到18點32分，他們在返航時被日軍剩余零式戰斗機攻擊。這些零戰失去了所有的航母，燃料耗盡后陸續在水面迫降，直到19點10分。
日軍撤退
航母沉沒
風云號、卷云號、夕云號和另一艘驅逐艦正在救援飛龍號航空母艦。磯風號驅逐艦和濱風號看護蒼龍號航空母艦，嵐號和野分號看護赤城號航空母艦，萩風號和舞風號在看護著80海里遠處的加賀號。
蒼龍號和加賀號
赤城號航空母艦、加賀號和蒼龍號的大火已經持續了幾個小時。赤城號和加賀號的升降機成了一個巨大的煙囪，使得航母內部成了一個巨大的熔爐，金屬結構不斷融化斷裂。加賀號的機庫墻壁和高射炮臺等構件墜入海中。16點40分，加賀號上的火勢蔓延全艦，已經成為了一具空殼。幸存的最高軍官天谷中校下令棄船，將剩余的船員轉移到驅逐艦上。此時的蒼龍號情況也類似，大量幸存者跳海或聚集在船尾。濱風號驅逐艦趕來救援蒼龍號，聲稱美軍正在靠近，要求幸存者立即放棄蒼龍號航空母艦。雖然部分船員認為蒼龍號仍有希望，但別無選擇。17點32分，蒼龍號艦長柳本柳作派人評估蒼龍號和加賀號的狀態，18點02分磯風號驅逐艦回答說已經無法挽救，加賀號航空母艦的護衛艦在17點就已經報告無法挽救，此時并未回應。柳本在3分鐘后下令放棄對加賀號和蒼龍號的滅火行動，將人員轉移。18點02分，濱風號確認目視范圍內的落水者都已獲救。此時蒼龍號艦內仍有人被困，他們還在設法逃生。
在9個小時的燃燒后，蒼龍號和加賀號在約19點30分左右相繼在爆炸和燃燒中下沉。19點12分，磯風號發射了3枚魚雷命中了蒼龍號航空母艦。13分，蒼龍號中彈后側傾，船尾先下沉，船頭翹起后也消失在海面上，5分鐘后還從水里傳來了巨大的爆炸聲。全艦編制1103人，共有711人喪生，是日軍航母中損失率最高的。
與此同時，萩風號向加賀號發射了2枚魚雷，1分鐘后命中了加賀號航空母艦中部。加賀號的船尾先沉入海中，19點25分完全沉沒。加賀號總計811人喪生。
赤城號
18點20分，一隊工程師重返赤城號航空母艦，試圖恢復發動機運轉。18點30分，日軍觀察到大批飛機正在靠近，驅逐艦們被下令如果美國軍隊艦隊靠近就擊沉這3艘不能動的航母，然而這只是虛驚一場。此時飛龍號仍以28節的速度航行，看來是可以拯救的。19點15分，工程師表示赤城號已無法恢復動力，于是艦長青木泰二郎在5分鐘后下令棄艦，并通知野分號和嵐號來接人。
22點，野分號完成了救助任務。赤城號甲板上僅剩青木艦長一人，他命令部下將自己綁在起錨絞盤上。22點25分，山本五十六下令延遲擊沉赤城號。6月5日0零點30分，赤城號航空母艦的飛行長增田、航海員和第四驅逐艦隊指揮官有賀大佐返回赤城號，有賀以資歷下令將青木帶離了赤城號。青木是四艘航母中唯一幸存的艦長。
對于如何處理赤城號，大和號戰列艦上爭論了一晚。最后山本五十六表示：“我曾經擔任過赤城號的艦長，但現在無比遺憾要的下令擊沉它。我會向天皇道歉，赤城號是被自己的魚雷擊沉的。”4點50分，第4驅逐艦的嵐號、野分號、萩風號、舞風號依次通過赤城號，各發射了一枚魚雷。5點20分，赤城號沉沒，艦上總計267人喪生。
飛龍號
飛龍號是最后被放棄的：4日傍晚19點10分時仍以28節的速度航行。21點23分，飛龍號停了下來，但是消防和動力系統仍在運作。驅逐艦風云號、卷云號和谷風號靠近過來協作噴水，夕云號隨后加入。因灌水過多，飛龍號向左舷側傾15°。接近5日0零點時，飛龍號又發生了一次巨大的殉爆，機庫甲板再度劇烈燃燒。次日凌晨2點30分，南云還在猶豫怎么處理飛龍號。二航戰司令官山口多聞命令船員在甲板上集合。2點50分，山口向艦員們下達了棄艦命令并準備降旗儀式。3點15分儀式結束后，船員們被接到驅逐艦上，山口和飛龍號艦長加來則留下與艦同沉，并命令驅逐艦擊沉飛龍號。
4點30分，所有人撤離完畢。5點10分，卷云號向飛龍號發射了1枚魚雷，但是定深不對未命中，于是再打了一發。第二發命中了飛龍號右舷舷梯附近，將艦艏震出了水面。此時飛龍號甲板上突然又出現了一群人，他們向卷云號揮舞帽子但徒勞無功。卷云號發射完魚雷后就撤離了。
7點20分，鳳翔號航空母艦的偵察機發現了仍在漂浮的飛龍號和船上的幸存者。大和號戰列艦讓南云確認飛龍號的情況，南云即派出谷風號返回去查看，然而谷風號抵達時，什么也沒有找到：當這些幸存者找到殘余的救生艇逃生時，飛龍號艦艉的螺旋槳已經露出海面，9點07到15分，飛龍號航空母艦沉沒，392人喪生。
這些幸存者在救生艇上漂浮了14天，直到6月19日才被中途島的PBY發現，隨后被巴拉德號水上飛機勤務艦俘虜。這期間又有5人死亡。
退卻
從17點28分到18點10分，筑摩2號偵察機還在不斷發回美軍航母的動態。由于視野和氣象的局限，這些報告并不準確和全面。巡洋艦隊的參謀根據報告得出結論：美軍有4艘航母、6艘巡洋艦和15艘驅逐艦，正在向西航行。
19點15分，山本五十六五十六在大和號戰列艦上下令：1.敵軍的艦隊已經受到了實質性的打擊，正在向東撤退；2.位于附近的作戰軍艦立刻準備追擊殘余敵軍，同時攻略中途島；3.安排主力部隊在5日00:00之前到達位置FU ME RI32（坐標方格），航向90度，速度20節；4.機動部隊、攻略部隊（不包括第七巡洋艦戰隊）和先頭部隊相互保持聯系，立刻攻擊敵軍。5分鐘后，山本又發送了詳細的作戰說明。一直在中途島附近游蕩的日軍潛艇“伊-168”號，準備攻擊中途島的飛機場。同時，栗田的艦隊正在靠近中途島，一旦準備就緒就將對中途島的機場發動再一次的致命攻擊。
21點，機動艦隊正在北緯32°10′、西經178°50′的位置上，航向320°，速度20節。21點30分，南云向山本五十六報告了參謀們推測的美軍規模，他正在保護飛龍號，并準備以18節速度向西北撤離。
22點55分，南云被解除機動部隊指揮官的職務，負責處理赤城號航空母艦和飛龍號，由近藤信竹負責接下來的夜戰（接管南云部隊中的其他艦艇）。6月5日0點左右，近藤命令自己麾下的第2、第4驅逐艦分隊和第4、5重巡戰隊準備在1點左右接敵，由巡洋艦居中橫向散開，后面10km處為金剛號和比叡號2艘戰列艦，驅逐艦隊在兩側6km處搜索。
23點半，山本五十六和參謀們經過分析，如果炮擊中途島，栗田的第7重巡戰隊將遭遇空襲。6月5日0點15分，山本下令近藤和南云向主力艦隊靠攏，并取消了栗田的炮擊任務。參謀黑島龜人和渡邊寧次仍然建議由主力艦隊炮擊中途島，但是山本拒絕了。1點12分，南云帶領他的艦隊向西航行。2點55分，大和號戰列艦上發出了山本的命令。聯合艦隊第161號令：1.攻略中途島的計劃取消；2.主力部隊將會集結攻略部隊和第一機動部隊（不包括“飛龍”號和它的護衛艦）在6月7日早上執行重新加油作業；3.警戒部隊“飛龍”號和它的護衛艦“日新丸”前往同一位置；4.登陸部隊向西前進，遠離中途島空中力量的攻擊范圍。
4日41分，南云的機動部隊放飛了筑摩1號和4號偵察機，以確定是否有美國軍隊追擊。山本五十六命令北方攻擊阿留申群島的部隊繼續向北攻擊。8點15分，近藤艦隊與主力部隊在預定位置匯合，但仍未發現機動部隊的影子。跟隨主力部隊的鳳翔號航空母艦輕型航空母艦放飛偵察機在東北方向發現了機動部隊，以及仍未沉沒的飛龍號航空母艦。15點，被派去查看飛龍號情況的谷風號驅逐艦返回艦隊。山本、南云、近藤的艦隊完成集合后返航。
事故
由于命令發送時出錯，2點30分栗田才接到取消攻擊的命令。此時他距離中途島不足50海里。栗田艦隊轉向西北撤退。栗田艦隊往返的航跡均被美國軍隊鼓魚號潛艇（SS-198 Tambor）發現。此時栗田的4艘重巡洋艦正轉向北方，航跡直指鼓魚號。發現潛艇的潛望鏡后，打頭的旗艦熊野號重巡洋艦號左轉90°向西后右轉向西北。后面的鈴谷號重巡洋艦左轉45°，從旗艦的艦艉處擦過時緊急右轉避讓。緊跟著鈴谷號的三偎號重巡洋艦則緊急左轉向西規避，正好與最后試圖跟隨旗艦運動的最上號重巡洋艦相撞。最上號的船頭撞到三隈號的中部裝甲帶上，前部艦體扭曲變形，停在三隈號的后面。三隈號主要損傷為鍋爐艙外的油艙出現了一個20米長6米寬的口子。栗田被迫讓前兩艘完好的重巡先撤離，第8驅逐艦隊來與受損的艦艇匯合。
最上號的損管控制人員先丟掉了船上的所有易燃物，包括在日軍中地位最高的24枚93式氧氣魚雷。三隈號損傷較少，并未同樣丟棄。接下來的2天，這兩艘重巡遭到中途島和美國軍隊艦載機部隊輪番打擊，最終三偎號重巡洋艦沉沒，最上號重巡洋艦逃離。
6月6日13點40分，近藤信竹再次下令攻擊美國軍隊航母：1.攻略部隊主力，第三戰列艦戰隊和第二驅逐艦分隊，以及第八巡洋艦戰隊前往摧毀敵軍航母力量，并且支援三隈號和最上號。航向向西。2.補給艦隊在FUKON39處待命(北緯30°10',東經167°50')。3.“瑞鳳”號準備起飛飛機攻擊敵軍航母。4.最大限度地利用所有的水上飛機。其中三座飛機負責偵察，雙座飛機負責攻擊敵軍航母，各攜帶兩顆普通炸彈。
大和號戰列艦上的山本五十六和參謀們推算美軍至少還有1艘重型航母、2艘輕型航空母艦在向西追擊。為避免坐以待斃，山本決定主力部隊跟隨近藤部隊向南行駛，并將美國軍隊引誘至威克島的打擊范圍內。此時兩只艦隊的燃料均已不足，尤其是驅逐艦即將耗盡需要補充。從15點到23點30分進行補給后，大和號以18節的速度向南行駛。7日清晨，近藤的偵察機一無所獲。中國人民解放軍總參謀長宇垣纏認為“我們別無選擇，只好放棄與整個聯合艦隊一起發動反攻的打算”。當夜還發生了一些意外，驅逐艦磯波號的右舷艦艏撞到了浦波號的左舷中部，艦艏被削掉了一米，航速降至11節。浦波號煙囪受損，航速降至24節。最終兩艦由仙臺號輕巡洋艦護航返回。
美軍行動
中途島的攻擊
6月4日傍晚17點，一架巡邏的PYB報告中途島西北面有三艘正在燃燒的航母。為避免被零戰攻擊，中途島的攻擊推遲到了入夜的19點15分：6架SBD和6架SB2U。8艘魚雷快艇也前往相同地點攻擊日軍。然而不僅沒有搜索到目標，返航時又因為迷航而損失了一些飛機。4點，中途島上的PBY機群再度出擊搜索日軍動向，此時島上只剩4架戰斗機和12架俯沖轟炸機。PBY的搜索半徑被限制在250英里，以備日軍登錄中途島時他們能直接飛回夏威夷。6點30分，PBY發現并詳細報告了撞船的最上號重巡洋艦和三偎號重巡洋艦。7點，中途島發動剩余的航空力量進行攻擊。
8點08分，中途島的轟炸機隊分成兩組發動攻擊：6架SBD從1萬英尺高度發動俯沖轟炸，然后是6架SB2U從4000英尺高進行下滑轟炸。面對兩艘巡洋艦的防空火力，這12架轟炸機均未命中，反而損失一架SB2U。然后是8架B-17從2萬英尺高空投擲的39枚500磅炸彈，落在最上號附近。11點30分，最上號的航速恢復到了14節。
8點時，PBY偵察到了正在燃燒的飛龍號航空母艦，中途島的B-17機隊隨即出發對其進行轟炸。抵達目標區域后僅發現了谷風號一艘驅逐艦，于是用攜帶的79枚炸彈對其進行轟炸，結果無一命中。一架B-17將副油箱也扔了下去，最后失蹤。PBY還找到并救起了大黃蜂號魚雷機隊的唯一幸存者喬治·H·蓋伊少尉，他也是美國軍隊赤城號航空母艦、加賀號、蒼龍號中彈的唯一海上目擊者。16點12分，戴爾·S·紐厄爾的PBY發現了日軍的主力艦隊，然后他被瑞鳳號輕型航空母艦放飛的巡邏零戰驅逐。
6日，中途島的B-17再次前往轟炸最上號重巡洋艦和三偎號重巡洋艦，然而并未發現目標。隨后他們誤將河鱒號潛艇（SS-209 Garyling）認為是一艘日軍巡洋艦而投下了炸彈。河鱒號緊急下潛躲避。當日夜間，4架B-24轟炸機解放者轟炸機嘗試轟炸威克島。由于夜間導航困難，帶隊的挺克少將座機失蹤。
中途島航空隊在整場海戰中38人陣亡、35人受傷。
航母追擊
16點39分，約克城號的艦員都已經轉移到6艘驅逐艦上，弗萊徹率領艦隊的其余艦艇向第16特艦靠攏，只留下休斯號驅逐艦看著約克城號航空母艦，萬一日軍來襲就將其擊沉。弗萊徹向珍珠港申請了一支拖輪隊，如果第二天約克城號幸存就將其拖回去。當天晚上，切斯特·尼米茲命令掃雷艇綠鵑號、拖輪納瓦霍號、巡洋艦肖爾斯號從夏威夷出發前往支援約克城號航空母艦。
由于已經無法直接指揮第16特艦，弗萊徹將指揮權下放給了斯普魯恩斯。斯普魯恩斯從報告中得知日軍仍將進攻中途島，也不確定是否擊沉了全部日軍航母：戰前的情報表示最多可能有5艘，而B-17的損失也說明可能還有敵軍航母存在。他決定保存實力，收容完飛機后立刻向東航行到午夜，然后轉向北航行1小時，天亮前再向西行動。
6月5日0點，斯普魯恩斯將艦隊航向從東轉西，速度15節。鼓魚號潛艇并未準確報告日軍巡洋艦隊的方向和速度，斯普魯恩斯無法得知日軍的情況，于是一直保持著安全距離。6點，鼓魚號發來了日軍撤退的報告。此時第17特艦能用的飛機總共約60架，包括戰斗機和轟炸機。
中途島的PBY在8點報告了日軍航母的信息（飛龍號）。斯普魯恩斯在9點30分轉向正西，將日軍的重巡交給中途島處理，自己則轉向西北攻擊可能存在的日軍其他航母。他的艦隊一支向西北航行到15點12分才停下，此時企業號放飛了32架SBD，大黃蜂號放飛了33架。他們的目標是飛龍號航空母艦，而此時的飛龍號已經沉沒了。兩組SBD機群發現了正在往回趕的谷風號驅逐艦，于是大黃蜂機隊在18點08分發動攻擊，企業號機隊在18點20分發動攻擊。由于天色已晚，驅逐艦較小的艦體和優秀的機動性，兩波攻擊都未能命中。而企業號的一架SBD墜海。隨后，第17特艦開始返航。
6月6日凌晨5點，企業號放飛18架SBD往西進行扇面搜索。1架SBD在6點45分報告發現了1艘戰列艦、1艘巡洋艦和3艘驅逐艦正以10節速度西行。由于譯電錯誤，戰列艦被寫成了航母。隨后信息被大黃蜂號的SBD更正，就是日軍撞船的兩艘重巡洋艦和護航的驅逐艦。8點，大黃蜂號出動了25架SBD（VB-8 11架、VS-8 12架、VS-5和VS-6各1架），在8架F4F的掩護下出動了。大黃蜂機隊在經過了謹慎的搜索之后未發現其他目標，于是在9點50分攻擊了這兩艘日軍重巡。2架SBD被擊落，VS-8對最上號重巡洋艦取得了2枚命中。一枚命中了5號炮塔，炮手全部陣亡，另一枚命中了魚雷室，由于事先丟棄了魚雷，并未引發殉爆，最上號上的火在1小時候被撲滅。11點15分，企業號放飛了31架SBD、3架TBD和12架F4F開始搜尋日方艦隊。12點11分，企業號機隊對日軍重巡發起了攻擊。三偎號重巡洋艦被著重攻擊，第一枚炸彈命中了3號主炮塔，并殃及后面的艦橋，導致艦長和右舷防空炮長等大量高級官員重傷。接下來又命中2枚，右舷機房受損，甲板變形。然后又是2枚命中，炸穿了甲板在尾部機房爆炸，魚雷管附近起火，全艦癱瘓。最上號重巡洋艦此戰也被命中了2枚，一枚在中部甲板，一枚在艦橋，損傷嚴重。由于TBD被斯普魯恩斯明確命令不許冒著哪怕一門防空炮發動攻擊，因而旁觀了全過程。
13點58分，三隈號的魚雷全部殉爆，將艦體表面從煙囪到4號主炮塔范圍內全部摧毀，艦體底部開裂，開始下沉。隨著火勢無法控制，副艦長高導秀雄中校下令棄艦。14點45分，大黃蜂號上的23架SBD再次來襲，他們是13點45分時出動的。旁邊的最上號和驅逐艦拉開距離，但依舊被美國軍隊擊中。荒潮號驅逐艦尾部的3號炮塔被擊中，造成爆炸和大火，三偎號重巡洋艦和最上號重巡洋艦分別被命中一枚。最上號水上飛機甲板命中，大量醫護和傷員死亡，并引燃大火，損控官關閉了所有的救生通道，大量人員被燒死在通道中，但艦體得以保存。15點25分，三隈號被放棄，最上號和兩艘驅逐艦帶著從三隈號上救出的240人撤離。最上號航速恢復到20節，陣亡90人。約19點30分，三隈號沉沒，這是日本海軍在第二次世界大戰中沉沒的第一艘巡洋艦。
對于日軍到底是巡洋艦還是戰列艦，美軍飛行員的報告混亂不一。15點53分，企業號上起飛了2架SBD再次進行偵察，17點15分，它們拍下了飄蕩的三隈號照片。爭論最終平息。6日夜晚，斯普魯恩斯的艦隊已經到了中途島以西400海里處，不少驅逐艦已燃料不足。19點07分，為避免遭遇日軍其他艦隊并遠離威克島的打擊范圍，斯普魯恩斯下令返回珍珠港。美軍的作戰階段結束，僅剩搜救任務。6月9日，美軍潛艇三文魚號救起了三隈號的兩名幸存者。
約克城號沉沒
6月5日凌晨1點20分，伊-168號乘著月光炮擊了中途島，在美軍反應過來后就下潛躲避。他的打擊并未帶來多大影響。8點，筑摩4號偵察機發現了落單的約克城號和一艘驅逐艦，相關信息被同步給了伊-168號。隨后伊-168前往約克城號所在海域，這需要大約一天的航程。
天亮后，約克城號航空母艦的狀態并未發生什么變化，艦長說服弗萊徹重新回去嘗試修理。中午11點27分，維修人員從各艦集中到了哈曼號驅逐艦上，隨即前往約克城號。哈曼號靠在約克城號右舷，將人員送了上去，并提供動力和協助。周圍5艘驅逐艦負責進行警戒。工程人員撲滅了大火，并進行抗傾覆注水，將左舷的槍炮拆除拋棄，將艦載機拖到一邊。綠鵑號掃雷艇從13點開始開辟了一條巷道，拖著約克城號以3節的速度前往安全地帶。
6日凌晨4點10分，伊-168潛艇發現了受傷的約克城號。伊-168減速至12節并在6點時潛入約克城號周圍的驅逐艦護航區，一開始潛艇和約克城號相距不到600碼，但這個距離太短，無法進行有效的魚雷攻擊，潛艇必須在護航區繞滿一圈。由于四周都是警戒的驅逐艦，伊-168盡量減少了潛望鏡的使用：半小時一次，每次5秒。僅靠水聲設備和經驗，伊-168靠近到了約克城500米的位置上。雖然美國軍隊驅逐艦的聲納一直在工作，但并未發現伊-168。隨后伊-168將距離拉遠到距離約克城號右舷1500米處，此時美國軍隊似乎停止了聲納搜索。
13點31分，田邊發射了4枚89式魚雷：1枚射失，1枚擊中了哈曼號鍋爐艙，把它炸成了兩截。哈曼號在4分鐘后沉沒，艦上241名艦員有81人喪生。2枚在哈曼號底下穿過擊中了約克城號第84和95號龍骨處，造成了大量進水。約克城號艦長命令立即關閉所有的防水閥門，然而已無法接近閥門。
3艘美軍驅逐艦前往搜索伊-168，在兩個小時內不斷向其投擲深水炸彈。伊-168發射完后就下潛到100米極限深度，在深水炸彈的打擊下多處破損：電池箱開裂，氯氣泄漏，前魚雷管漏水，艇艏開始前傾，電燈和應急燈相繼熄滅。16點40分伊-168被迫上浮，此時美國軍隊驅逐艦已經遠離，伊-168使用柴油機繼續逃跑。美軍發現柴油機排煙后再次追擊，伊-168在煙幕中再次下潛并反向航行，最終逃脫。
7日早上4點43分，約克城號航空母艦完全傾向左舷橫梁的末端，隨后艦艏翹起，艦艉下沉。5點01分，約克城號沉沒，艦上57人陣亡。
戰役結果
中途島海戰，日本海軍4艘航空母艦、1艘巡洋艦被擊沉，被擊傷巡洋艦1艘，擊傷其他艦船9艘，損失作戰飛機285架，傷亡人數3500余人；美國海軍1艘航母、1艘驅逐艦被擊沉，損失作戰飛機147架，傷亡人數307人。
戰后處理
封鎖消息
6月5日晚，日本天皇氏得知了海戰的具體情況。天皇對軍隊內部和民眾進行了嚴密的消息封鎖。9日，天皇任命中將安藤紀三郎為國務大臣全面處理此事。在10日的陸海軍聯席會議上，海軍也并未將損失情況告訴陸軍。11日，天皇指示海軍禁止此戰的傷兵與外界接觸，直到傷愈后被重新任命。
6月14日，聯合艦隊返回本土。15日南云和參謀們完成了對中途島第一次世界大戰的報告《南云報告》，至6月21日完成修改。傷病員通過兩艘和平方舟號醫院船被轉移到吳、佐世保市和橫須賀海軍港口的醫院中。被隔離在特設病房中，禁止同僚和家屬探望。未受傷者被發配到邊遠地區任職。
日本媒體對此戰的宣傳為海軍再次贏得了重大勝利：擊沉了美軍兩艘航母，日軍也損失了兩艘。海軍部的官方命令為：最終決定我方在中途島損失為1艘航母（加賀號航空母艦）、另一艘重創（蒼龍號航空母艦），1艘巡洋艦重創（三偎號重巡洋艦），35架飛機玉碎。海軍對艦艇的處理為：將加賀號航空母艦、蒼龍號航空母艦和三隈號除籍；赤城號航空母艦和飛龍號航空母艦保留登記但停止作業；陣亡者的家屬通知中不提及沉沒的艦名。其他艦艇損失為：赤城號航空母艦和飛龍號著火嚴重受損，谷風號、磯風號驅逐艦和嵐號受損輕微，最上號、磯波號和浦波號被擊中。最上號中度受損，其他輕度受損。山本五十六依舊負責聯合艦隊，南云忠一負責航母艦隊。
教訓總結
一航艦參謀長草鹿龍之介總結了戰敗原因是航母側翼偵察力量薄弱。他提出了雙向偵察的搜索概念，并認為應該在航母部隊中由一艘專門負責警戒攔截和防御。隨后一航艦改名為第三艦隊，其原下轄的五航戰（翔鶴號和瑞鶴號航空母艦）改編為一航戰，四航戰（隼鷹號航空母艦、飛鷹號和龍驤號）改編為二航戰，第十一戰列艦隊的比叡號和霧島號、第七巡洋艦隊的熊野號和鈴古號、第八巡洋艦隊的利根號和筑摩號也都劃歸第三艦隊。在艦載機隊的編制上，五航戰的兩艘航母都調整了機型的搭配：從艦攻艦爆各21架改為了艦爆27架和艦攻18架。
聯合艦隊首次確立航母是空中決戰的核心，也是主要目標，地面部隊應全力配合。并制定了將戰列艦、巡洋艦、驅逐艦等組成警戒線，布置在航母前方100-200海里的作戰陣型。
日軍對后續航母的損管設計和運行規則也進行了大幅改進：艦載機的燃料和彈藥的整備全都改在甲板上進行。建造中的大鳳號航空母艦和信濃號航空母艦強化了飛行甲板的裝甲，云龍級也改為雙升降機設計，增加了泡沫滅火設備、能迅速排空的燃油管路等。其他便攜式損管設備也開始補充到艦上。在損管培訓上，所有的前線軍官、船舶建造和工程部門的官兵都進行了緊急培訓和常規訓練。但并沒有大量的實際操作而是觀摩消防演示。
在人員的補充上，前線軍官的培訓從3年縮短到18個月，士兵的培訓只有4到6個月。飛行員的培訓速度也大幅增加，導致平均水平降低，與之前的飛行員出現斷層，至1942年底，美國軍隊發現日軍艦載機部隊戰斗力明顯下降。
中途島海戰后，美國開始進入戰略反攻，1942年8月7日清晨，一支由89艘艦船組成的美國海軍陸戰隊的第一師龐大艦隊借助惡劣天氣的掩護，攻下了日本的軍事基地瓜達爾卡納爾島，占領了島上的機場。在此后的一年里，以美國為首的盟軍在太平洋上跟日軍展開了激烈的決戰，開始了著名的越島作戰方案。
影響
戰斗失敗后，南云的參謀們考慮集體自殺，并邀請第一航空艦隊參謀長草鹿勸南云和他們一起。草鹿反對并痛斥他們。他還向南云表示自殺不能解決問題，而是更加的努力。南云并沒有從此次失敗的陰影中走出來，直到1944年奉命前往塞班島駐防前才向兒子們談起中途島海戰的經過，隨后在塞班島防線崩潰時自殺。
日軍在海戰中損失4艘主力航母，艦載機隊的組織被破壞。在航母艦隊質量上，剩余的兩艘主力航母翔鶴號和瑞鶴號航空母艦的機隊熟練程度無法與一航戰和二航戰的前輩相提并論，影響了后續作戰的效率；后續補充的大型航母僅有大鳳號航空母艦和信濃號航空母艦，中小型航母如云龍級等，在面對美國軍隊同期服役的埃塞克斯級航母無論是質量上還是數量上都毫無優勢。在人員素質方面，日軍的飛行員培養模式更傾向于保持少量的精英飛行員，而非大量的優秀飛行員。在后續太平洋戰爭中，日軍并不缺飛行員數量，而質量急劇下降。
中途島海戰后美國軍隊的航母戰力與日軍差距并不大，尤其是在后續的東所羅門群島海戰中薩拉托加號航空母艦航母重傷入塢維修（1942年8月31日）、瓜達爾卡納爾島戰役中黃蜂號航母被擊沉（1942年9月15日）、圣科魯茲海戰中大黃蜂號航母被擊沉（1942年10月26日）的情況下。中途島海戰的成果使得這段時期中的美軍減輕了巨大的壓力。在這期間美國軍隊逐步開始重建優勢，并加快了戰爭的進程。直到1943年美國工業能力爆發的成果開始體現：埃塞克斯級艦隊航母每個季度服役一艘、獨立級輕型航空母艦每月服役一艘。此時日軍沉沒的4艘航母即使保存完好也無法改變戰局，中途島戰役對戰爭走向的影響已經不大了。
爭議
“命運的五分鐘”
“命運的五分鐘”的說法來自于此戰的親歷者，赤城號飛行隊長淵田美津雄1951出版的回憶錄《中途島海戰：毀滅日本帝國的戰役》。這本回憶錄的內容大量參考了日軍在中途島海戰后的總結報告，細節和地圖都與《南云報告》相同。然而也充斥著大量的謊言，包括南云在戰前缺乏情報通告、指責草鹿沒有進行雙向搜索等。最大的謊言就是加入了其個人情感的“命運的五分鐘”。其原文為：“10點20分，南云海軍中將下令，一旦準備工作完成，飛機立即起飛。在赤城號航空母艦飛行甲板上，全部飛機都已經發動了，龐大的航空母艦開始逆風航行。五分鐘之內，全部飛機都可起飛。五分鐘！誰能料到在這短暫的瞬息之間，戰局會發生徹底改變呢！”
淵田的觀點在日本尚未完成整理出官方的《戰史叢書》時吸引了大量民間讀者。這種命運論的說法掩蓋了聯合艦隊和軍令部的無能，包括無法理智的制定計劃以及在戰場上隨機應變的弱點，而將一切歸于所謂“命運”。迎合了包括日本和美國的平民、影視劇的需要而被大范圍傳播。在外國保持了長時間的影響力。
1970年代日本出版官方的《戰史叢書》，日本歷史學者開始質疑淵田的著述。西方戰史學界后來也開始系統性研究日軍航母的技術規范和執行細節，以及分析其他當事人的回憶，包括對日軍幸存者的審訊記錄、美軍飛行員對戰場的描述和照片。這些史料都可以說明當時赤城號上并沒有任何可以出動的艦攻機隊——赤城的艦爆機隊還未降落，艦攻機隊還在機庫中進行換彈操作，航母甲板上忙于護航零戰的輪換起降。事實說明在當時，日軍根本無法發動反擊。。
美軍奇跡般的以少勝多
沃爾特·勞德在1967年出版的《中途島之戰——難以置信的勝利》認為“中途島海戰時的美軍處于絕對劣勢：當時日軍有11艘戰列艦，而美軍沒有，日軍有23艘巡洋艦，美軍只有8艘，日軍有8艘航母，美軍只有3艘……中途島海戰向人們展示了沒有什么是不可能的。”這個論點影響了后人對中途島海戰的評價。
在交戰單位數量上，因為日本聯合艦隊在6月4日清晨同時發起阿留申行動和中途島行動。實際參加中途島海戰的日軍是南云的第一機動部隊，而具有進攻能力的艦艇只有20艘。而美軍的兩支艦隊共擁有艦艇25艘。日軍擁有4艘航母艦載機248架；而美國軍隊擁有3艘航母艦載機233架，岸基飛機120多架。其他戰列艦、巡洋艦等艦艇并未直接交戰。飛機數量和起降跑道數量上處于劣勢的是日軍，而非美軍。此時日軍的其他艦隊距離尚遠，無法及時支援中途島海戰。
在艦隊指揮上，山本五十六剛愎自用，計劃漏洞較多且執行僵化。美軍則在確定敵情的基礎上做足了準備，集中部隊進行伏擊作戰，雖然具體戰術執行上有一定的混亂，總體的戰役過程基本符合切斯特·尼米茲在戰前的預想，因而并不算是一個“奇跡”。
美軍情報的影響有多大
雖然美國軍隊在1942年3月底成功破譯了日軍密碼——JN25（盟軍方面代碼），美國情報分析專家可以更順利地破譯日本海軍的行動交流信息，但絕不意味著美軍就能隨心所欲地閱讀對方的全部通訊信息。因為當時美軍平均每天可以截獲日本海軍大約60%的信息流量，而且由于時間和人手不足，只有40%的信息可以得到分析。也就意味著當時美國密碼分析專家破解的密碼組合不可能超過10%-15%。所以，就密碼破譯本身而言，盡管非常重要，但不是萬靈藥。?
阿留申行動是否是佯攻
大多數的研究者認為：阿留申行動是一場精心策劃的佯攻，是為了引誘珍珠港內的美國海軍艦隊。《斷劍》一書中指出，這個說法是不對的，攻略阿留申群島的行動是日軍打算趁美軍忙于應付中途島戰役時不遇抵抗，而進行的一場入侵行為，其戰略意圖明顯，絕不是佯攻。
被夸大的美軍情報優勢
以往研究、相關著作認為：“在駛向中途島的途中，山本五十六向南云中將隱瞞了可能改變戰爭進程的情報。所以南云絲毫沒有察覺危險在中途島等著他的到來。”據《斷劍》一書考證，真實情況并非如此。因為南云不需要和山本之間進行通訊，因為第一航空艦隊完全有能力接受東京第一通訊處發送的即時情報。赤城號航空母艦的戰前情報評估顯示南云已經掌握了大部分重要情報。
“利根”4號偵察機的問題
以往研究、相關著作認為：“‘利根’號偵察機沒有及時升空，注定了南云的失敗。”《斷劍》一書認為情況并非如此。正是因為“利根”號第4號偵察機升空較晚而臨時改變了搜索路線，才發現了美軍的蹤跡。偵察上失誤的是日軍的潛艇沒有及時到位，以及后來K行動的夭折，當然最主要的還是“筑摩”號第1號偵察機沒有在6點15分時鎖定美國軍隊的位置。
對“炸彈換魚雷”的指責
以往研究、相關著作認為：“南云下令將艦攻機換裝對地炸彈，否則日軍可以在發現美軍后立即發起攻擊。”《斷劍》一書認為這是不對的。當發現美軍后，日軍的預備飛機并沒有在甲板上完成作業。考慮到飛機在甲板上部署完畢需要花費不少時間，所以南云在友永返艦之前再次發起攻擊的可能性是很低的。美軍飛機的持續攻擊嚴重阻礙了日本航母的飛行作業，所以在友永機隊返航之前，日軍航母上的飛機不可能起飛。
日軍飛行員損失殆盡
由于日軍損失了四艘航母，不少資料和分析由此設想日軍的精英飛行員損失殆盡，從而使得日本停止擴張。而根據聯合艦隊的操作記錄中各艦的機組人員損失為：加賀號總共陣亡21人、蒼龍號10人、赤城號7人，飛龍號72人。飛龍號航空母艦的損失主要是兩次攻擊約克城號造成的，包括多名飛行隊長。加上11名駕駛水上飛機的偵察飛行員，日軍在此戰中損失飛行員合計121人。在戰前，日本海軍儲備了約2000名機組成員（約900名飛行員和900名其他機組成員，因為艦爆機組需要2人、艦攻機組需要3人），因而并算不上是毀滅性打擊。日軍在中途島海戰之后8月的東所羅門群島海戰中損失了110名飛行員，在10月的圣克魯斯群島戰役中損失了145名飛行員，至此日軍在戰前儲備的精英飛行員才接近消失。
另一方面，中途島海戰損失了721名負責飛機維護和整備的機械師，超過總人數的40%，而日軍對這些能直接影響艦載機出動效率的技術人員并不太重視。
原因分析
日方分析
聯合艦隊參謀長宇垣纏和第一航空艦隊參謀長草鹿龍之介對日軍的錯誤進行了總結。草鹿認為：1.6月2日的無線電通訊可能暴露了機動部隊的行蹤；2.艦隊東側的搜索延誤；3.4艘航母并未參與偵察行動；4.艦隊缺乏足夠的零戰護航；5.集中使用的航母導致被集中攻擊。宇垣則認為K偵察行動的失敗導致日軍無法掌握美國軍隊航母的動向，規模龐大的部署卻無法在南云需要的時候迅速給與支援，而主要原因是“由于過去的成功，我們已經變得非常自負，因此沒有意識到需要采取措施應對在南云艦隊側翼出現的敵軍艦隊”。
赤城號的飛行長淵田美津雄（中途島海戰時闌尾炎手術并未參戰）在戰后出版的著作中認為日軍的過度自信和蔑視對手的“勝利病”和日本非理性沖動的民族特性導致了這場海戰以及整個太平洋戰爭的失敗。技術上的失誤則包括對美國軍隊的戰略情報和戰術偵察、兵力并未集中于主要任務——摧毀敵航母、聯合艦隊的行動被“中途島的最佳登錄氣象條件”所左右等。而山本五十六五十六的剛愎自用也妨礙了指揮官對戰場的控制。
美方分析
美國海軍戰爭學院在戰后研究認為，日軍的失敗在于過分自信，山本的計劃過度依賴出其不意。也有人認為山本的錯誤在于制定的作戰意圖是從敵人出發，而不是自己的實力出發。他并不清楚美國人實際上希望一戰。第二次世界大戰史學家戈登·普蘭奇的著作《中途島奇跡》和沃爾特·勞德的著作《難以置信的勝利》也批評了日本人的勝利病和偵察問題。
喬納森·帕歇爾和安東尼·塔利在《斷劍——中途島海戰尚不為人知的真相》中進一步分析認為，在個人方面可以追究3個人的責任：首先是筑摩1號偵察機的飛行員，他本應在6點15至30分時發現美軍航母編隊，從而直接改寫中途島戰役的進程。其次是源田制定的偵察計劃過于疏漏，由于當時日軍并未整合雙向搜索模式，更密集的搜索計劃才可以覆蓋筑摩1號偵察機的問題。最后是山本五十六的作戰計劃，他用已經被美國人察覺的作戰意圖來組織和部署艦隊，導致計劃出現缺陷，一旦其中一環出現問題，整個計劃就會連鎖失敗。
艾略特·科恩和約翰·古奇合作的《軍隊的不幸：戰爭失敗剖析》將所有的失敗分為三類：不能從過去汲取經驗教訓、不能預見未來發生的情況、不能適應戰場瞬息萬變。
據此《斷劍》的分析認為，在疏于學習上，日本海軍并未從之前的作戰中正確的汲取經驗教訓，尤其是對馬海戰的影響。對馬海戰的勝利導致日本海軍執著于在限定的海域集中全部力量進行一次決定性的戰役，通過質量優勢戰勝對手。然而這并不適用于在廣闊的太平洋戰場和擁有巨大工業能力的美國海軍進行一場持久的戰爭。而在中途島海戰之前，日軍航母部隊已經暴露出了各種問題：珊瑚海海戰中已經表明日軍的質量優勢并不明顯，數量優勢更加重要。而在一次戰斗中同時兼顧多個目標也提高了行動的風險。而在更早的印度洋作戰期間，英軍的俯沖轟炸機已經對日軍航母產生過威脅；因偵察問題而導致的“炸彈換魚雷”情景也出現過。然而這些問題都未能引起日軍的重視。由于日軍部隊短時間內高強度出擊，來不及進行總結分析并形成新的軍事準則。而美國軍隊則在珊瑚海海戰中列克星敦號的油氣殉爆問題中汲取了教訓，使約克城號航空母艦在遭到第一次攻擊時迅速恢復。戰爭剛開始半年的失利讓美國軍隊有足夠的壓力進行一系列的適應戰場環境的變化。
缺乏預見性體現在淵田實的偵察計劃上，他沒有預見到需要大規模的搜索美軍航母，也沒有考慮到天氣情況對搜索的影響。而日軍強調集中力量進攻的原則也讓他不可能分出航母上的艦載機進行偵察。南云的則由于有限的情報而無所作為，并未預見到美軍在中途島區域的行動。山本五十六的錯誤在于相信擊敗美軍的方式在于引誘他們進入戰場，自以為是的制定計劃。而在具體的制定過程中，日本海軍也偏好制定錯綜復雜、兵力分散的計劃。即使換一個艦隊司令，計劃的復雜程度不會有大的變化。而在5月份大和號戰列艦上的戰前推演，參謀們預計到了美國軍隊的作戰方式，也因為山本和宇垣的政治壓迫而被忽視。體現出日軍高級指揮官習慣假設劇本在“最好的情況”而非“最壞的情況”下展開。
在戰場適應性上，部分日軍存在將戰爭計劃視為神圣不可更改的情況。這種“計劃惰性”由多種因素構成：日本社會熱衷于計劃而忌諱犯錯，日本海軍也不例外。如不斷地制定新的計劃，包括造艦計劃和行動計劃，這些計劃在戰爭初期帶來了勝利。而日軍并不愿意修改已經形成的計劃，哪怕計劃的執行已經出現了問題。如珊瑚海海戰中山本沒有及時下令撤退而導致五航戰的損失。中途島戰役機動部隊因故晚一天出發、偵察和警戒失敗等情況都沒有讓山本改變計劃，結果導致日軍的補給艦隊最早被發現，使美軍掌握了戰場態勢優勢。在執行上，山本、南云和山口都在發現美國軍隊艦隊后都沒有考慮過立即出動二航戰的飛機攻擊美軍航母，而是拘泥于作戰準則準備發動統一的集群攻擊。在遭遇損失后還讓飛龍號航空母艦進一步向美軍靠近，而非控制距離利用航母對美軍進行打擊（日軍戰機的航程大于美軍）。尤其是山口個人的好勇斗狠最終使得飛龍號沉沒，視個人名譽高于國家實力。
《斷劍》總結為：中途島海戰的失利在于日軍形成了一個復雜而完整的失敗網絡，滲透到了戰略、戰役和戰術的每一層中，包括海軍文化、軍事準則和戰斗模式。其外在表現為某些個人的明顯錯誤。這些錯誤源于對馬海戰的勝利，而太平洋戰爭已經超出了日本海軍的承受范圍和理解能力。
戰場遺跡
據專家介紹，美國海中探測家在1998年發現了沉沒的美國海軍航母約克城號航空母艦殘骸。
2019年10月18日，據美國《華盛頓郵報》報道，在中途島戰役中沉沒的原日本海軍加賀號航空母艦航母殘骸被探險船“海燕”號的船員在夏威夷群島西北部5400米深的海底被發現。發現該殘骸的搜尋團隊是由已故的微軟聯合創始人保羅·艾倫生前組建的。
2019年10月23日，據日本共同社報道，發現“加賀”號航母殘骸的美國調查團隊于20號發現了在中途島海戰中沉沒的原日本海軍航母赤城號航空母艦。該殘骸在太平洋水深約5280米的海底被發現，根據形狀和發現場所認定是航母“赤城”號。
影視作品
參考資料 >
Battle of Midway, June 3-6, 1942.Naval History and Heritage Command.2024-10-13
美國團隊發現中途島海戰沉沒的日本航母“赤城”號.人民網.2023-11-21
二戰日本航母“加賀”號殘骸在5400米海底被找到.環球時報.2024-01-19
中途島戰役.豆瓣電影.2023-11-01
中途島之戰.豆瓣電影.2023-11-01
太平洋戰爭.豆瓣電影.2023-11-01
無畏：中途島之戰.豆瓣電影.2023-11-01
決戰中途島.豆瓣電影.2023-11-01