美军“企业”号起飞的14架鱼雷轰炸机扑上来时，日舰进行了猛烈的反击，结果7架美机被击落，却没有一颗炸弹击中日舰。
第一批空袭日舰的是“约克城”号起飞的12架鱼雷轰炸机，为它护航的6架“野猫式”战斗机被一群“零式”战斗机拦截，美军飞机被击落过半。
进攻初期，美国海军鱼雷机连续发动了三次袭击，自己损失了41架飞机，但运气不佳的美军鱼雷轰炸机，几乎没有给日舰造成大的挫伤。
从美军“企业”号航母起飞的37架“无畏式”俯冲轰炸机发起新一轮攻势。
这群由麦克拉斯率领的轰炸机群，编成两个战斗中队，分别攻击日军航母“赤城”号和“苍龙”号。
“赤城”号是南云中将的旗舰，排水量达3.65万吨，舰载飞机60～90架。
麦克拉斯的“无畏式”轰炸机严密编队，爬上1万英尺高空，躲开日军“零式”的拦截，然后从高空向下猛扑，其中5架美机朝着日军航空母舰俯冲下来，轰炸瞄准具紧紧咬着“赤城”号、“加贺”号甲板上红色圆形菱堡。随着俯冲轰炸机撕人肺腑的呼啸声，一道刺眼的亮光闪过，一枚炸弹在“赤城”号升降机后面的甲板上穿了大洞，紧接着又响起一声巨响，飞行甲板左舷后段又挨了一弹。
“赤城”号航母顿时浓烟翻滚。炸裂的甲板向上扭曲，舰载飞机喷着青色的火舌。由于甲板到处是未卸掉的输油管，引起大火四处蔓延。更可怕的是，炸弹劈开升降机，在来不及收回弹药库、堆放在机库的鱼雷中爆炸开来，引起一串串猛烈的爆炸声，机库成了一座燃烧的火山。“赤城”号航母舰长木青下令，放水淹掉机库和弹药库。
位于旗舰左舷方向的“加贺”号航空母舰也遭到同样的命运。10时34分，8架美“无畏式”俯冲轰炸机向它猛扑过来，投下的炸弹中有4颗命中目标。第一颗在“加贺”号右舷甲板上炸开。第二颗和第三颗更是命中日舰要害，在舰桥底下爆炸，引燃了一辆加油车，使停着的飞机也随即起火，熊熊大火包围了舰桥。日军舰长和一批军官当场被炸死或烧死。第四颗炸弹掉进机库，引起炸弹和鱼雷的连锁爆炸，势如火山爆发，震耳欲聋。
麦斯利海军少校率领18架“无畏式”轰炸机，稍后从“企业”号航母起飞，他们抄近路赶到日军舰队上空，立即展开对日军母舰“苍龙”号的攻击。几分钟的轮番俯冲轰炸过后，两颗炸弹将航空母舰的升降机掀到舰桥上面，停放在甲板上的飞机立即着火燃烧。第三颗炸弹钻进机库，引爆了弹药库，发出阵阵巨响。后又炸裂了油库，航母底舱成了一片火海。不久，主机停转，舵机失灵，消防系统遭到彻底破坏，火势已经不可能控制。
20分钟后，日军被迫放弃航空母舰。柳本柳作舰长跳进火焰中烧死。这艘瘫痪了的航空母舰，在海上漂泊4个小时后，被一艘路过的美军潜艇发现，两颗鱼雷又击中了航空母舰。这艘燃烧着的庞然大物最终沉入海底，舰上700多名日本官兵也随之丧生。
到下午1时30分，“加贺”号航空母舰也保不住了。甲板下面剧烈的爆炸，已摧毁了轮机舱，舰艇已完全失去控制。5时，南云下令停止扑火抢救，决定放弃该舰，官兵纷纷跳海逃生。两个小时后，储油罐受热爆炸，这艘航空母舰顿时被折成两截，许多人活活困死在机房里。舰上2000名官兵中有800多人随着这艘3.82万吨巨舰魂丧大海。
南云的旗舰“赤城”号受伤后，勉强继续航行20分钟。后来，4架美军鱼雷机又追杀上来，“赤城”号为了躲避袭击，紧急转弯时造成操舵失灵。随后在躲避另一次袭击时，右舷涡轮机又坏了，动力越来越弱。甲板上的飞机着火燃烧，火苗快窜上舰桥。南云中将被突然的打击惊呆了，茫然地立在舰桥指挥塔前，久久地凝视着海面。这位偷袭珍珠港的功臣，如今像一条丧家之犬，此时内心狂怒又无可奈何。在部下的极力劝告下，他狼狈地从舰桥的一个窗口顺着绳子爬了下去，撤退到一艘驱逐舰上进行指挥。
11时30分，青木泰二郎舰长下令撤退，大部分舰上官兵乘救生艇逃到其他舰只上，他自己仍留在舰上，指挥救火队，企图控制蔓延的大火。到下午7时，一切努力都失去作用，航空母舰渐渐下沉。青木只好下令消防队离舰。在此之前，他命令部下将自己捆绑在舱壁上，决定和他的指挥舱一道沉入海底。
午夜，燃烧着的“赤城”号仍然漂浮在海面上。4个小时后，南云下令驱逐舰发射鱼雷将其击沉。
南云中将将驱逐舰“长良”号作为新的旗舰。此时，他还有一艘完好的“飞龙”号航空母舰、2艘战列舰、3艘巡洋舰和12艘驱逐舰。他对这次海战还未完全丧失信心。他下令“飞龙”号立即进攻敌人的航空母舰。
指挥“飞龙”号航空母舰的是海军第2航空战队司令山口多闻少将。此人在日本海军中颇有些名气，被认为是第一流的将才，作战勇敢，富有远见，头脑清醒而又能当机立断。在其他3艘航空母舰遭到攻击并中弹燃烧时，山口立刻下令，舰载飞机紧急出动，他知道只有采取主动行动，找到美航空母舰并将其摧毁，才能真正挽救舰队挨打的局面，转败为胜。
上午10时50分，18架俯冲轰炸机和6架“零式”战斗机从“飞龙”号的甲板上起飞。带队的小林道雄大尉参加过偷袭珍珠港的行动，是个经验丰富的飞行员。他在空中搜索一阵后，发现美军一批舰载机正在返航。于是，他率队悄悄地尾随其后，结果双方展开一场混战，虽然日军损失不小，但仍有12架轰炸机在小林道雄的指挥下继续向美“约克城”号逼近。
美“约克城”号的雷达发现日俯冲轰炸机时，敌机离航空母舰大约还有50英里。舰上12架“野猫式”战斗机立即起飞拦截。同时，第17特遣舰队司令弗莱彻中将下令：为了防止舰只中弹火势蔓延和连锁爆炸，将舰上的输油管充满二氧化碳气体。
“约克城”号的战斗机驾驶员吸取以往海战的教训，迅速抢占了高度，在日军发动进攻之前就击落了3架护航的“零式”战斗机和6架轰炸机。日机对航空母舰俯冲轰炸时，又有两架被舰上机关枪击落。但是日军仍有3颗炸弹击中了“约克城”号，一颗在甲板上爆炸，引起了火灾。第二颗炸弹恰巧掉进大烟囱，爆炸引起空气倒流，使得航空母舰6个锅炉中有5个炉膛灭了火。由于蒸汽压力下降，“约克城”号的航速开始减慢。而第三颗炸弹穿过飞行甲板，在机库里爆炸，引起一场大火。
由于“约克城”号采取有效的防范措施，弹药库的火势迅速被水扑灭，消除了连锁爆炸的隐患。由于油管使用了二氧化碳，也未发生大火蔓延。轮机员重新烧燃了锅炉，飞行甲板上的缺口用木板填补上。航空母舰以每小时20海里的速度继续行进。
在第一次袭击的飞机还未返回前，山口少将又命令发起第二次袭击。这时舰上仅剩下10架鱼雷轰炸机，1时30分，这些轰炸机由6架战斗机护航，扑向“约克城”号发动第二次攻击。
领队的是“飞龙”号上老资格的飞行员友永中尉，当时他的副油箱已被打坏，如果去执行袭击任务，就意味着即使不被美军击中，也飞不回来了。但他坚持要带队飞行，为所谓的天皇作最后一战。
在离第17特遣舰队约50英里处，一艘美军巡洋舰首先发现了从西南低空飞来的日机。巡洋舰迅速向“约克城”号发出警报，于是，4架“野猫式”战斗机从“约克城”号紧急起飞，会同正在空中护航的另外8架飞机，一起前往截击日机。日美空军战斗机展开了一场混战。一架日机被击落，其余日军轰炸机发了疯似的直向“约克城”号扑去，4艘为航空母舰护航的重型巡洋舰，用重炮向前方海域发射炮弹，掀起一道水墙，以图阻挡低空飞行的日军轰炸机。然而，这些日军飞行员许多是亡命之徒，他们冲过水墙，在离“约克城”号舰首不到500米的地方投下“长矛式”鱼雷。飞机掠过舰只，以致甲板上的炮手可以看清飞行员的眉目。已经受伤的“约克城”号躲避不及，两颗炸弹击中了左舷，在油箱旁边的舰壳上掀开两个大洞，破碎铁片又把舰舵卡住了。此时，大量海水顺着洞口涌进船舱，造成“约克城”号船体倾斜。虽然，抢险队进行了临时修补，但远远不能把水完全堵住。不一会儿，抢险队报告，他们已经无能为力解决海水流进的问题。巴克迈斯特舰长估计航空母舰很快就要倾覆，到下午3时，他下令放弃舰艇。
驱逐舰迅速靠近这艘将要倾没的航空母舰，及时地抢救离舰的官兵。许多水兵跳进海里，朝向他们开来的救生艇，像大街上走累了的游客，不无幽默地喊：“喂，出租车，我要出租车。”在平静的海面上，救生艇搭救出了所有的水兵。
10架担负侦察任务的“无畏式”战斗机，下午2时45分左右，终于在第17特遣舰队西北约110英里的海面上发现“飞龙”号航空母舰，最后证实了美国太平洋舰队情报部门战前的估计，日军共有4艘航空母舰参与进攻中途岛的战斗。
第16特遣舰队接到这个报告后，斯普鲁恩斯将军命令“企业”号航空母舰调头向敌舰推进。同时，出动了24架俯冲轰炸机，在没有“野猫式”战斗机进行护航的情况下，前去袭击日军“飞龙”号航空母舰。
下午5时左右，“飞龙”号上的日军飞行员正在吃甜米团子。舰桥上的瞭望员突然喊起来：“敌人的俯冲轰炸机来了。”还未来得及拉响警报，美“无畏式”轰炸机披着晚霞已直扑过来。起初日舰熟练地躲开了3颗炸弹，但是后面的4颗却把甲板炸开了花。其中一颗炸弹命中了发电机，前升降机被掀到舰桥上去了，以致挡住了指挥台的观察视线，灭火抢救的速度无法跟上爆炸燃烧的速度，终于引爆了舰上的炸弹和鱼雷，引燃了油库。随着阵阵巨响，“飞龙”号底下机库、舱内也起了火。
几分钟后，袭击结束了，美机除3架被击落外，其余的“无畏式”轰炸机均平安地返回了“企业”号。
日舰“飞龙”号遭重伤后，继续以每小时30海里的速度逃离战场，舰上除担任警戒的枪炮手外，其余所有的人都在拼命地救火。因大部分消防设施被摧毁，救火速度跟不上，大火终于诱爆了搬到机库的炸弹和鱼雷。大火从上层甲板烧到底下的甲板，轮机舱里的水兵像被困在燃烧中的棺材里，不少人或被活活烧死，或被浓烟窒息而死。“飞龙”号航空母舰像一座漂浮在水上的火山，拖着一股浓浓的黑烟，已摇摇欲坠了。
深夜1时，山口多闻海军少将开始准备放弃舰只，他站在一个饼干铁盒上，神志癫狂地挥舞着双拳，慷慨激昂地发表告别演说。他同他的旗舰长对饮了一杯水后，两人领着全体官兵唱了《君之代》国歌。官兵们神情阴郁，也倒有几分悲壮。山口多闻和加来舰长默默地站在舰桥上，观赏着海上明亮的月色。然后，他们回到各自的舱房切腹自杀了。
6月4日上午，珍珠港美国太平洋舰队总部正为取得初战的胜利而兴奋，而日本海军联合舰队旗舰上却是另外截然相反的气氛。
山本接到南云中将的报告说，由于遭到敌人岸基和舰载飞机的袭击，“加贺”、“苍龙”、“赤城”3艘航空母舰均中弹燃烧，南云打算让“飞龙”号同敌人的航空母舰继续战斗，其余舰只向北撤退。这个消息使得山本的部下十分惊慌，而山本只是稍微战栗了一下，仍然保持镇静。他下令各舰队迅速会合，企图集中优势兵力与美海军太平洋舰队决战。后来传来南云最后一艘航空母舰也被击沉的消息，山本依然坚持集中兵力，下令按计划在第二天继续攻占中途岛。
他命令南云中将，继续接触敌人并将其歼灭。南云认为这道命令很不切合实际，因为敌人在海上还有更多的航空母舰。
山本原姓高野，1884年4月4日生于日本本州岛长冈市的一个破落武士家庭，当时其父高野贞吉已56岁，晚年得子，故给儿子取名“高野五十六”。1916年，即将从海军大学毕业的高野五十六被长冈名门山本家看中，收为继承家业的后嗣，并将其名改为山本五十六。山本海军大学毕业后，先后担任过海军本部参谋、驻霞浦海军航空队副队长兼教务主任、驻美海军武官、海军航空本部部长和海军省次官等职。
1939年8月30日，山本五十六达到他一生事业的顶点，担任日本海军联合舰队司令官。一年多以后，山本五十六成功地组织了偷袭美军珍珠港事件，重创了美太平洋舰队。这次偷袭成功，使山本的声望如日中天。
这次远途袭击中途岛，日本海军部持反对意见，山本的部下也有不少人深感忧虑，山本自己也知道这是一场冒险的赌博。这位驻美前海军武官，还曾就读过美国哈佛大学，了解美国的历史和现状，他知道偷袭珍珠港只是暂时的胜利，他必须连续不断地给予美海军打击，迫使美国人坐下来谈判。再说珍珠港事件后，美国人肯定要进行报复，而他最担心和害怕的是美军对日本本土进行空袭。
山本喜欢主动出击，这符合他的性格。如今南云中将遭到惨败，他仍然不肯罢休，希望将埋伏在中途岛北面的所有舰队投入夜战，并以占优势的战列舰和巡洋舰来赢得一次胜利，弥补日本海军在白天遭到的失败。
他命令近藤海军中将接过作战指挥权，部署他的战列舰和巡洋舰迎接战斗；命令南云中将的舰队停止北撤，立即改变航向投入夜间战斗。
这位狂妄自负的日本海军大将部署的夜间战斗计划，像他攻击中途岛、引诱美太平洋舰队决战一样，又必须寄希望于美国人听从他的“安排”。
由斯普鲁恩斯将军指挥的第16特遣舰队，此时确实正向西追击。斯普鲁恩斯将军是一个非常有头脑的海军将领，遇事冷静，并富有主见。他经过对日军无线电情报的分析，很快地察觉到，一支日军大舰队正从西北方向驶来，而曾经袭击荷兰港的日本航空母舰也明显地正从北面压过来，企图切断第16特遣舰队与夏威夷之间的联系。
斯普鲁恩斯将军判断，如果在夜间继续追击遭惨败的南云舰队，有可能会遇到日军联合舰队的围击，弄不好他和弗莱彻将军在白天赢得的胜利，夜间又会输回去。因为他清楚，由于夜间他的航空母舰不能出动飞机，一旦陷入山本设置的圈套，他的舰队就成了近藤的战列舰、栗田的重巡洋舰炮火的活靶子。所以，当他的最后一批轰炸机返回航空母舰后，他便下令舰队往东撤退，停止追击。
山本焦急地等候美国人上钩，一直等到午夜，仍未发现美国海军舰队的任何踪迹。看来，山本这个所谓引诱美国人进行夜战的计划又是一相情愿。原以为采取主动进攻可以挽救局势，现在又使得山本陷入被动。
联合舰队的参谋们议论纷纷，有的建议轰炸并占领中途岛，以便保全日本海军的面子，但联合舰队参谋长宇垣海军少将坚决反对这个方案。他认为尽管日军的战列舰火力很强，但在靠近中途岛之前，就会被美国飞机和潜艇的袭击所消灭。
有人问：“我们就这次失败如何向天皇谢罪？”
一直沉默不语的山本总司令终于开口：“这事交给我。”
山本转身下达了“取消中途岛战役”的命令后，拖着沉重的脚步回到自己的舱房。他的胃病又犯了，病痛又折磨得他脸色苍白，据说他把自己关在舱房整整3天，谁也不见。
日本各舰队接到撤退命令后，运送登陆部队的舰船掉头开回塞班。近藤海军中将和栗田海军中将奉命与南云中将会合，然后在西北面同主力集合后一起返回日本。
日本人可谓漏船又遇顶头风，栗田的巡洋舰队的4艘重型巡洋舰，正以每小时28海里的速度行驶在中途岛西北约40英里海面，突然，瞭望哨报告发现了一艘美军潜艇。前面的两艘舰艇立即左满舵急转弯，可是断后的“最上”号收到信号为时已晚，便迎头撞上了正在拐弯的“三隈”号重型巡洋舰。美国潜艇倒没有发起鱼雷攻击，但是当时世界上速度最快、火力最猛的巡洋舰之一的“最上”号，舰首被严重撞坏，前面的“三隈”号也受了重伤，迅速用斜撑顶住被撞坏的舱壁后，以每小时12海里的缓慢速度继续费力地向前开。
第二天清晨，中途岛的岸基飞机，以及第16特遣舰队的舰载机相继出动，在海面上空搜索日本舰队。海军陆战的“无畏”式战斗机发现受伤的日舰“最上”号和“三隈”号，立即展开了攻击。日军炮手以猛烈的炮火反击，击落了一架美军飞机。日军两艘重型巡洋舰没有受到损害，继续向西逃离。
6月5日下午，斯普鲁恩斯从上午的侦察飞机带回来的消息断定，日本各舰队都在向西撤退。于是，他继续出动轰炸机袭击这两艘日本巡洋舰。直到第二天上午，美军轰炸机才找到日军的巡洋舰，然而这两艘舰只已经基本上瘫痪了，面对美军轰炸机的攻击，已没有还手之力。美军飞行员高兴地大喊：“上帝，这容易得像射击水桶里的鸭子。”
几分钟后，日军重型巡洋舰“三隈”号身中数弹，燃起的大火伴随着一阵爆炸声，不久，就像一团巨大的火球沉入海底。另一艘日舰“最上”号也同样受到重创，船体几乎被火焰吞灭，勉强逃向了特鲁克港口。
日本人放弃了入侵中途岛的计划，开始全面撤退。但山本五十六在取消了夜间作战的计划后，仍然没有彻底放弃报复美军舰队的希望。他认为如果美国人乘胜追击，向西继续推进，联合舰队便可以联合威克岛上的日本轰炸机，共同对美舰队发起攻击，这样他仍然有赢得最后胜利的希望。
遗憾的是，斯普鲁恩斯又一次猜透了日本人的意图。
日本海军联合舰队连连失利的消息传到东京，海军省和军令部感到十分震惊。随着战局的发展，军令部永野海军大将越来越担心中途岛战役会出现难以收拾的结果。他最担心的是，山本大将为了挽回面子，不顾严峻的局势，动用全部舰队力量与美国人硬拼。联合舰队几乎是日本海军的全部家当，一味蛮干拼完了，后果不堪设想。
永野让军令部连续向山本发出几封电报，命令其终止中途岛作战计划，撤回本土海军基地。
山本五十六大将彻底失望了。联合舰队这个从日本出发的庞大舰队，此时已失去了原先威风凛凛、不可一世的傲慢，像一条斗败的鲨鱼，遍体伤痕，面目全非，灰溜溜地行驶在广袤的海面上。旗舰“大和”号的日本军人们相视无言，有的脸上流泪，真是一幅凄凉的情景。
美国人放弃了“约克城”号航空母舰，以为它很快就会沉掉。在这一点上美军舰长犯了个小错误，他不该过早地放弃了自己的舰只。
6月5日，“约克城”号上两位伤员从病房里爬了出来，他们开炮寻求救援。听到炮声赶来的美军驱逐舰“休斯”号发现了“约克城”号，当时舰上大火已熄灭。于是，“休斯”号和另一艘“哈曼”号驱逐舰一起参加营救。当时，“约克城”号的倾斜已经纠正过来了，就等着拖船来，把它送回珍珠港。
正在撤退的南云舰队上一架水上侦察机发现了“约克城”号，便派出了一艘潜艇去击沉这艘航空母舰。6月6日下午，日本“伊-168”潜艇找到了“约克城”号，用一颗鱼雷击中“哈曼”号驱逐舰，将其劈为两半，这艘舰只很快就沉没了。后来潜艇又用鱼雷猛击庞大的“约克城”号，使其灌满海水沉入太平洋。惨遭失败的日本舰队，总算出了一口气。
中途岛海战，是日德兰海战之后最大的一次海上较量。日本人以惨败告终，损失了4艘航空母舰、1艘重型巡洋舰，2200多名水兵丧命，300多架飞机和最好的海上飞行员葬身大海。
东京海军参谋本部极力掩盖惨遭失败的消息，通过广播电台发布假战报。4艘被击沉的航空母舰上幸存的官兵，没有被允许出岸，就匆匆派到日本和太平洋上的前哨基地，伤员是在夜间抬上岸的，送进与外界隔绝的医院病房，并规定不准与亲友会面。
美国海军取得中途岛海战的胜利，头功应归属于太平洋舰队情报部门。尼米兹上将在中途岛战役胜利后，曾在太平洋舰队参谋部，当着参谋们的面夸奖罗彻福特中校：“中途岛胜利的主要功劳应该归功于这位军官。”当然，没有尼米兹将军大胆的战略谋划，美军飞行员的勇敢以及第16、第17特遣舰队斯普鲁恩斯、弗莱彻两位将军冷静的战术指挥和准确的判断，也是不可能取得这场海战的胜利的。
这次海战，是日本海军350多年以来的第一次决定性的败仗，打破了日本海军不可战胜的美梦。从此日本人丧失了太平洋战争初期所占据的制海权，日军从此由胜转败，由全面的进攻转入守势，而美军则由防御转入进攻，掌握了太平洋上的主动权。
