27日下午，弗莱彻的17特混编队抵达瓦胡岛，在珊瑚海海战中受伤的“约克敦”号航母拖着一条长达10海里的油迹——在这种紧急情况下，是绝对不可能对它进行大修的。珍珠港的工人用木头支撑住破损部位，勉强堵上了被击穿的舰体。28日，斯普鲁恩斯指挥的16特混编队离开珍珠港，前往中途岛海域。第二天，17特混编队也过来。而那些用于报告美国航母行动的日本潜艇在两支美国航母编队通过之后才到达珍珠港以西的指定阵位。6月2日，在弗莱彻的统一指挥下，美军第16与17特混编队在海上会合，并在中途岛的东北方进入阵位。这里是南云忠一编队的侧翼，根据莱顿少校判断，南云忠一编队会取道西北，穿过一片由信风与北极寒流形成的终年云雾区，接近中途岛的环形珊瑚礁。
6月3日，据美军侦察机报告，在700海里处有一支庞大的敌舰群正从西南方向接近中途岛，美军飞机立即出动对来犯舰队实施了攻击，但是，丝毫没有阻挡敌舰队的前进，也没对敌舰造成严重破坏。弗莱彻正确地判断出这是日军的登陆编队，他马上指挥自己的编队驶到距中途岛200海里的水域，准备攻击即将到来的南云忠一编队。
6月4日拂晓，中途岛的西北海域在一片云雾的遮蔽下，南云忠一编队起飞了108架舰载机开始攻击环礁。结果，在云区边缘巡逻的美军“野牛”式侦察机发现了日本航母编队以及飞往中途岛的舰载机，及时向在珍珠港坐镇的尼米兹进行了报告。在尼米兹的统一指挥下，弗莱彻命令斯普鲁恩斯的16特混编队前去攻击日本航母。这时，中途岛的所有美军飞机已经全部升空，鱼雷机和轰炸机负责攻击南云忠一编队，战斗机去拦截前来空袭的日军机群。在双方交战过程中，美军战斗机因为不如日军“零”式战斗机灵活，很快就被击落了一大半。而且，日军轰炸机不仅袭击了中途岛上的美军机库，还炸毁了部分建筑。但是，日军飞行机群的指挥官用无线电要求南云忠一必须对中途岛进行第二次空袭，因为他在撤出战斗时，发现中途岛上美军机场的跑道还没有被破坏。恰在这时，美军中途岛岸基的鱼雷机和轰炸机正在向西北方向飞行，它们不仅没有战斗机掩护，而且也不存在合作的机会，5个彼此孤立的攻击波虽然对正在拼命机动航行的日本航母进行了攻击，但效果很不理想，许多飞机被日军“零”式飞机或防空炮火击落，却没有一颗炸弹或鱼雷击中目标。8时30分，斯普鲁恩斯的16特混编队从东北方向接近了南云忠一编队，他们迅速派出鱼雷机中队对日军航母实施连续攻击。然而，多达8次的对敌编队进攻，只给日舰造成了轻微损失，自己则付出了沉重的代价。其中，美军航母“大黄蜂”号鱼雷机中队的8架飞机无一幸免。
美国胜利的希望似乎很渺茫了。6月4日10时，南云忠一的航母编队马上就要完成舰载机的重新装弹和加油，准备对中途岛实施第二次攻击。与此同时，美国的3艘航母舰载机纷纷起飞，但一方面，他们的鱼雷机正在不断减少，另外，由于南云忠一编队已经改变航向，16特混编队的轰炸机中队连目标都没发现。其中，“大黄蜂”号的轰炸机转向东南，“企业”号的轰炸机飞向西北，一无所获。
只是谁也没有想到，美军的运气在这时出现了戏剧性的好转。当时，“企业”号航母的机群指挥官正在跟踪一艘掉队的日本驱逐舰，并追寻它的航向。比其他机群晚起飞的“约克敦”号的轰炸机也已开始转向跟随自己的鱼雷机。2艘航母上的轰炸机中队正在从不同方向接敌，却鬼使神差地同时飞临南云编队上空。最具讽刺意味的是，日军并没有发现飞临头顶的俯冲轰炸机，因为他们的“零”式战斗机已经被低空飞行的美国鱼雷机吸引，所有人正沉浸在消灭美机的喜悦之中。这时，南云的航母编队正在海面上迎风行驶，满载弹药和油料的飞机停放在飞行甲板上，其余飞机正在机库装弹和加油，整个编队更像是一触即发的爆破筒。
仇人相见，分外眼红。“约克敦”号和“企业”号的轰炸机几乎同时发现了南云编队，兴奋和喜悦马上驱散了刚才的失意。它们从4500多米的高度俯冲而下，几秒钟之内，一颗颗炸弹像是长了眼睛，不偏不倚地击中了“苍龙”号、“加贺”号和南云的旗舰，使3艘航母燃起了致命的大火，在爆炸后相继沉入海底。日军“飞龙”号航母见势不妙，迅速攻击了“约克敦”号航母，使其丧失了作战能力，弗莱彻少将只好弃舰，从“约克敦”号成功转移到一艘巡洋舰上，并把作战指挥权交给了斯普鲁恩斯将军。黄昏时分，“企业”号航母的轰炸机再一次发现了由水面舰艇护航的“飞龙”号，于是迅速投下数颗炸弹。结果，有4颗在其舰桥附近爆炸，使“飞龙”号起火，在燃烧了整整一夜后，于5日上午9时沉没。
发现战局突现逆转，山本五十六恼羞成怒，他立即命令指挥登陆编队的近藤中将派出4艘重型巡洋舰前去轰击中途岛。同时，他要求其他战舰加速前进，并将南云的水面舰艇归属自己直接指挥，企图用这支由4艘战列舰、9艘巡洋舰和19艘驱逐舰组成的编队与美军决一死战，拼个鱼死网破。早有准备的斯普鲁恩斯将军已经料到这一招，早已经率舰东撤。时间一分一秒地过去，近藤中将始终没能追上美国舰队。这时的山本五十六意识到，他已经不大可能赢得这场夜战的胜利，相反倒可能成为美军空袭的牺牲品。6月5日凌晨，大势已去的山本五十六命令停止追击。看到中途岛海战的惨败，日军联合舰队参谋部的军官们流下了眼泪。山本五十六自知罪责难逃，下令取消中途岛作战，同时指挥联合舰队的所有舰只加入正在西撤的主力舰队。
为了扩大战果，斯普鲁恩斯将军带领着16和17特混编队向日军舰队进行追击，却没有发现任何踪迹。于是，他又在5日下午派出58架俯冲轰炸机向西北方向搜索，却只发现了1艘日军掉队的驱逐舰，攻击未果。6日，美军侦察机在西南方向发现了2艘受伤的重型巡洋舰，它们正拖着油迹低速航行。原来，近藤的巡洋舰轰击大队在仓皇逃窜的过程中，“最上”号和“三隈”号因相互躲闪不及，竟然撞在了一起。在美军轰炸机一连串的攻击下，“三隈”号被击沉，“最上”号也一年没能出海作战。日落时分，斯普鲁恩斯看到自己驱逐舰的油料所剩无几，便下令东返。6月6日，在中途岛海战中全线溃败的日本终于找到了挽回一点颜面的机会，它的一艘潜艇在中途岛东北部发现了美舰“约克敦”号，于是发射了一排鱼雷，结果击沉了旁边的一艘驱逐舰，并使“约克敦”号于7日早晨沉没。
美军在中途岛海战中取得的胜利实属不易，甚至可以说胜得有些侥幸。因为，海战史上以弱胜强的战例实在不多。在这次战斗中，美国损失了1艘航母和1艘驱逐舰，共有147架飞机和307人罹难。此外，中途岛的军事设施普遍遭到破坏，荷兰港也受到一定程度的损坏。而日军则失去了4艘航母和1艘重型巡洋舰，322架飞机和3500人成为战争牺牲品，其中包括许多不可弥补的一流飞行员。尽管日本的损失不如美国战时估算的那么严重，但是，随着中途岛战役的惨败，日本的进攻势头结束了，盟军的反攻即将开始。
马里亚纳海战
中途岛一役，日本的海军力量遭受了沉重打击，但却不是毁灭性的。日本海军为了挽回颓势，一直在积蓄兵力，企图利用一场大的战役起死回生。而美军在中途岛海战之后，忙着夺取吉尔伯特群岛和进攻马里亚纳群岛，这期间，中太平洋没有发生较大海战，日军便想在这里与美军决一雌雄。
1944年3月，日本海军似乎看出了航空母舰的巨大威力，他们一改“以战列舰为核心”的打法，转而以航空母舰为核心成立第1机动舰队。舰队将联合舰队尚存的90％兵力编入其中，由原航空舰队司令官小泽治三郎中将指挥。此外，小泽还有另一部分重要兵力，就是马里亚纳群岛一带的岸基航空兵。6月11日，美军空袭马里亚纳群岛时，日军以为这只是美军策应南太平洋方向比阿岛作战的牵制性行动，所以没有进行反击。当他们发现美军正在向塞班岛海域集结强大兵力时，才如梦初醒，命令第1机动舰队前去迎击。13日晚，小泽中将率领由9艘航空母舰、5艘战列舰、13艘巡洋舰和28艘驱逐舰组成的舰队，自菲律宾群岛的塔威塔威出航。
