6月4日黎明，日出前半小时。美国海军第十七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“卡塔林娜”式水上侦察机。
清晨5：25分，艾迪上尉驾驶一架从中途岛起飞的“卡塔林娜”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，于6：07分向“企业”号航空母舰上的斯普鲁恩斯少将发去电报，命令第十六特混编队首先向敌舰队发起空袭，第十七特混编队随后跟上。
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，把宝一次全部都压上。
当时，第十六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。
上午7：02分，14架“毁灭者”式鱼雷攻击机，32架“无畏”式俯冲轰炸机在10架“野猫”式战斗机护航下，从“企业”号航空母舰上起飞；15架“毁灭者”、35架“无畏”在10架“野猫”护航下从“大黄蜂”号航空母舰上起飞。这样，总共29架鱼雷攻击机，67架俯冲轰炸机，在20架战斗机的护航下，离开航空母舰，远程奔袭敌人舰队。
他们的油料只够勉强返航，但是飞行勇士们义无反顾，杀奔战场。斯普鲁恩斯少将只留下8架“无畏”式俯冲轰炸机和36架“野猫”式战斗机来保卫自己编队的安全。
弗莱彻少将率领的第十七特混编队跟在斯普鲁恩斯后边大约15海里。他过了一个半小时才命令飞机起飞。他的“约克城”号航空母舰载机95架。等到12架“毁灭者”式鱼雷攻击机和17架“无畏”式俯冲轰炸机在6架“野猫”式战斗机的护航下飞离“约克城”的甲板时，已经是上午9：06分了。
南云突击舰队在送走袭击中途岛的第一波攻击机群后，第二批突击飞机立即从各航空母舰的下层甲板，一架一架地由升降机提升到上层的飞行甲板上。
当4艘航空母舰的飞行甲板再次停满飞机时，初升的红日，已经完全跃出了太平洋海面。
这次留在航空母舰上等待出击的第二批飞机，大部分是中岛B5N2“97”式舰载鱼雷攻击机。鱼雷机的飞行员是日本海军航空兵的精华。尽管这支日本舰队的所有指挥官都确信，在附近根本不可能有美国的航空母舰；根据山本大将的估计，美国航空母舰最早也要到6月7日，才能赶到中途岛海域。不过，南云中将为了防备万一，还是把他最优秀的飞行员留在舰上，以便对付美国舰队的进攻。
“97”式鱼雷攻击机是当时世界上性能优越的舰载轰炸机，盟军方面称其为KATE轰炸机。时速378公里，载弹800公斤。它既可挂鱼雷，攻击对方的航空母舰或其他舰只，也可以挂炸弹，轰炸机场等地面目标。这时，它们挂的都是鱼雷。
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“卡塔林娜”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时，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，7：10分，处于舰队最前方的一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1200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”式战斗机迅速出击。美战机不顾猛烈的炮火，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。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都错过了目标，无一命中敌舰。最后只有1架“复仇者”和2架B—26返回了中途岛。
遭到美机首次空袭之后，南云判定这些美国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。为了空袭中途岛，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7：15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。南云改装鱼雷机的决心，实际上是他的参谋长草鹿替他下的。因为草鹿认为，对他们的航空母舰来说，此时来自中途岛的飞机，比可能碰上的美国舰队更危险。
与偷袭珍珠港时一样，草鹿是南云舰队里实际上的最高指挥官，许多大主意都是他出的。当然，每次在采取行动之前，他都要征求南云的同意。而南云对他总是言听计从。
7：30分，从“利根”号起飞的侦察机报告在距离舰队200海里处发现10艘美舰。如果这10艘美舰中有航母的话，出动飞机前来攻击就极为不利了，南云急令侦察机查明美舰舰种。日军实在太不走运，这架侦察机如果不是因弹射器故障而延迟30分钟起飞的话，就可在南云下达换弹命令前发现美舰，这样日军的鱼雷机就可立即起飞，而不是现在的尴尬局面。
7：45分，南云命令暂停卸下鱼雷，根据形势再作决定。
7：55分，美军的岸基飞机又来了。先是亨德森少校率领的16架S“无畏”俯冲轰炸机，由于飞行员都是刚从航校毕业的新手，没有俯冲轰炸的经验，亨德森只好组织从600米高度进行下滑攻击，但被击落8架，重创6架，投下的炸弹无一命中。随后是斯威尼少校指挥的15架B—17轰炸机从6000米高空实施攻击，由于投弹高度太高，无一命中，反被击落2架。最后是诺里斯少校指挥的11架SB2C“守护者”轰炸机飞临日舰队上空，在日军战斗机拦截和舰炮射击下，被击落5架，只有4架进行了攻击，也未获战果。
8：09分，日军侦察机报告美军舰队编成是5艘巡洋舰和5艘驱逐舰，没有航母。南云这才放下心，考虑到美军岸基飞机不断前来攻击，威胁甚大，所以命令继续卸下鱼雷换上炸弹，准备攻击中途岛。
8：20分，日军侦察机紧急报告在美军舰队后面似乎有1艘航母，尽管还是模棱两可的报告，但南云认为这样规模的舰队也应当有航母，马上下令停止换炸弹，重新装上鱼雷。这一连串的换炸弹换鱼雷的命令，使得日军航母的甲板上和机库里非常混乱，卸下的炸弹鱼雷由于时间仓促，都堆放在一边，而未及时放入弹药舱，日军的军械员并未意识到这是在为自己挖掘坟墓。
8：30分，日军攻击中途岛的第一批飞机飞回母舰上空，准备降落。这时南云正处于左右为难的局面，“赤城”号和“加贺”号的攻击机正在进行换弹作业，一时无法起飞，“苍龙”号和“飞龙”号的攻击机还没有开始换弹，可以立即起飞，但所有战斗机都因为刚才抗击美军岸基飞机的战斗，急需补充燃料和弹药，无法马上出动为攻击机护航。如果先让甲板上的第二波飞机起飞，可能会因没有战斗机掩护而损失惨重。如果先清理甲板让第一波飞机降落，又可能会失去战机。参谋长草鹿龙之介少将和作战参谋源田实中佐都认为应先清理甲板，让第一波飞机降落，再组织第二波攻击。“飞龙”号航母上的第二航母战队司令山口多闻少将见南云迟迟没有采取应对措施，便通过“野分”号驱逐舰用灯光信号向南云转发了他的建议：“我认为应立即命令攻击部队起飞！”这一建议应该说是比较积极的，虽然攻击机在没有战斗机护航的情况下会遭到不小损失，但至少要比留在航母听任美军攻击要明智，而一贯被南云倚重的源田此时没有这样建议，主要是在空中的第一攻击波飞行员大多是他的至交好友，他实在不忍心让他们因无法及时着舰而再有什么损失。山口在日本海军中被公认为才干超群，很可能成为山本的继任者，这点也为南云所深深嫉恨，所以南云不愿接受他的建议，于是反而命令将在甲板上的飞机收入机库，腾出甲板让第一波飞机和在舰队上空即将耗尽燃料的巡逻战斗机降落。
8：37分，开始接收飞机着舰。15分钟后，飞机回收完毕，机库里疲惫不堪的地勤人员放下尚未完成的换弹任务，便立即为这些飞机加油、装弹。
9：18分，执行巡逻任务的战斗机也全部降落完毕，机库里一片忙碌。50架战斗机加油装弹完毕立即起飞，在舰队上空巡逻警戒。
在回收飞机的作业基本完成后，南云下令沿30度航向以30节航速北进，以尽快占领有利的攻击阵位。南云的初衷无疑是要完成充分的准备，再给予美军沉重一击，但是这样保守的做法，却失去了最有利的战机！就在此时，来自美军航母舰载机的攻击开始了。最先飞抵目标海域的是“大黄蜂”号的35架轰炸机和10架战斗机，却未发现日舰，这是因为美机飞行高度较高，云层影响了观察，加上日舰已向北航行，美机在预定海域没发现日舰，便向西南搜索，与日舰背道而驰，没能找到日舰。后来21架轰炸机返回了母舰，14架轰炸机返回了中途岛，其中4架在着陆时坠毁，10架战斗机则因燃料耗尽都在海上迫降。
与轰炸机群失散的“大黄蜂”号的15架鱼雷机，由第八鱼雷机中队长沃尔德伦少校率领，从低空飞去，于9时20分发现日舰，立即实施攻击。但鱼雷机速度太低，又没有战斗机保护，在日军50架战斗机的拦截下还未投下鱼雷就全被击落。
9：30分，“企业”号的14架鱼雷机与轰炸机失散，单独飞临日舰上空，分成两组，向“赤城”号两舷实施鱼雷攻击。在日军战斗机的凶猛拦击下，有9架在投下鱼雷前就被击落，余下5架投下的鱼雷无一命中，又被击落1架，返航中又有3架因受伤太重而坠海，最后仅1架返回母舰。
“约克城”号的舰载机虽比其他两艘航母晚起飞一个多小时，但航向偏北，而且又在途中知道了日舰的新位置，迅速更正航线，所以只晚到了几分钟，紧接着“企业”号的鱼雷机发起了攻击。12架鱼雷机在6架战斗机掩护下攻击了“苍龙”号航母，损失10架鱼雷机和5架战斗机，未获任何战果。
从清晨到现在，美军的岸基飞机和舰载机共出动了99架次，损失62架，却毫无收获，但转机终于来临了！“企业”号的第六轰炸机中队和“大黄蜂”号的第八轰炸机中队一样在预定海域没有发现日舰，但领队长机第六轰炸机中队中队长小麦克拉斯少校作出了一个极为重要而又明智的决定：向北搜索！终于在10时找到了日军舰队。这时日军的4艘航母正排成菱形队形向北航行，“飞龙”号在北，“加贺”号在南，“赤城”号在西，“苍龙”号在东。美机从西南方向接近，小麦克拉斯将33架轰炸机分为两组，分别向最近的“赤城”号和“加贺”号进行集中攻击。
在“赤城”号飞行甲板上，所有飞机的发动机都已开始转动，航母也开始转向逆风航行，5分钟之内，全部飞机便可起飞。5分钟！就在这短暂的5分钟里，战局就将发生大逆转！
四、决战海空日军作恶尝恶果
6月的太平洋万里无云，天空能见度良好，云高3000米，天高云淡，为美机的攻击提供了很好的条件。10：24分，“赤城”号发出开始起飞的命令，飞行长摇动着小白旗，第一架“零”式开足马力，飞离了飞行甲板。就在这时，瞭望哨高叫：“俯冲轰炸机！”3架美机朝“赤城”号笔直俯冲下来，日舰的部分机关炮开始射击，但为时已晚！美机从容攻击没有遭到截击，是因为日军担负空中警戒的战斗机刚刚因拦截美军鱼雷机而耗尽燃料、弹药，已经全部着舰补给，空中没有一架警戒的战斗机！完全可以这样说，美军俯冲轰炸机的得手是以鱼雷机的巨大牺牲换来的！日军航母根本来不及进行规避，而且是处在最易受攻击的脆弱情况下——正在逆风航行进行起飞作业，飞行甲板上摆满了装好弹药和加好油准备出击的飞机！
