，首批從中途島起飛的10架美軍魚雷轟炸機出現在南雲艦隊的上空。美軍飛機排成單行，撲向日航空母艦。在日軍戰鬥機的截殺和日艦猛烈的炮火下，很快就擊落了7架。友永的報告和美機的攻擊，使南雲中將相信中途島的防禦力量還很強，於是決定把原來準備用於對付美艦的飛機改為對中途島進行第二次轟炸。此時，他仍然沒有發現美軍艦隊。
中途島7時15分，南雲下令赤城號和加賀號將在甲板上已經裝好魚雷的飛機送下機庫，卸下魚雷換裝對地攻擊的高爆炸彈。
7時30分，南雲接到利根號推遲半小時起飛的一架偵察機發來的電報，距中途島約240海里的海面發現10艘美國軍艦。南雲命該偵察機繼續查明敵人艦隊是否擁有航空母艦，同時命令暫停對魚雷機的換彈。就在南雲等待偵察機的偵察結果時，空中再次響起了警報。40餘架從中途島起飛的美軍B…17轟炸機和俯衝轟炸機撲向南雲的艦隊。由於美軍的轟炸機沒有戰鬥機護航，結果很快的就被南雲派出的零式戰鬥機擊退。
8時15分，南雲終於接到了偵察機傳來的報告：美軍艦隊裡確實有航母的存在。南雲下令各艦停止裝炸彈，飛機再次送回機庫重新改裝魚雷，日本航空母艦的甲板上一片混亂，為了爭取時間，卸下的炸彈，都堆放在甲板上。
8時30分，空襲中途島的第一攻擊波機群返航飛抵日本艦隊的上空。還有那些保護航空母艦的戰鬥機也需要降落加油。南雲處於進退維谷的境地。第二航空母艦戰隊司令山口海軍少將向南雲建議“立即命令攻擊部隊起飛”。第二批突擊飛機換裝魚雷還沒有完成，如果馬上發動進攻，也沒有戰鬥機護航。而且艦上的跑道被起飛的飛機佔用，那麼油箱空空的第一攻擊波機群會掉進海里。南雲決定把攻擊時間推遲，首先收回空襲中途島和攔截美軍轟炸機的飛機，然後重新組織部隊以進攻美軍特混艦隊。
8時37分，返航的飛機開始相繼降落在四艘航空母艦飛行甲板上。
9時18分，全部飛機的作業完畢。南雲命令艦隊以30節的航速向北航行，以避開再來攻擊的美機，準備全力進攻美軍特混艦隊。
9時20分，掩護日本艦隊的戰鬥機開始起飛。
9時25分，一隊由大黃蜂號起飛的15架“復仇者”式魚雷轟炸機組成的編隊發現了南雲艦隊。不幸的是，他們的燃油即將耗盡，而且沒有戰鬥機護航。在自殺式攻擊中，被零式戰鬥機和高射炮火全部擊落，30名飛行員除1人生還外全部遇難。
9時30分，從企業號、約克鎮號起飛的28架美軍戰機陸續尾隨而來，向蒼龍號和飛龍號展開攻擊。然而在攻擊南雲艦隊的時候遭到重創，損失了20架魚雷轟炸機，美機所投魚雷竟無一命中。
中途島10時20分，由102架飛機組成的日軍艦載機攻擊隊此時也已排列就緒。正當日軍戰鬥機在低空忙著驅趕美軍魚雷機時，南雲艦隊的上空出現了33架由克拉倫斯？麥克拉斯基少校率領從企業號起飛的無畏式俯衝轟炸機。此時，日艦正在掉頭轉到迎風的方向，處於極易受攻擊的境地，甲板上到處是魚雷、炸彈及剛加好油的飛機。這正是美軍求之不得的有利時機。
10時24分，第一架日本戰鬥機飛離飛行甲板時。企業號的33架“無畏”式俯衝轟炸機，分成2箇中隊分別攻擊赤城號航空母艦和加賀號航空母艦，接踵而來的是17架從約克鎮號航空母艦上起飛的“無畏”式俯衝轟炸機則專門攻擊蒼龍號航空母艦。日軍的3艘航空母艦剎那間變成了三團火球，堆放在甲板上的等待起飛的飛機以及燃料和彈藥引起大爆炸，火光直衝雲霄，短短的5分鐘，日本三艘航空母艦被徹底炸燬了。
10時40分，接替指揮空中作戰的日第2航空戰隊司令官山口多聞少將發動反擊，18架由“九九”式俯衝轟炸機和6架零式戰鬥機組成的攻擊編隊從飛龍號航空母艦起飛。飛向目標途中，發現了一批正在返航的美軍轟炸機，便悄悄的尾隨。就因如此，日機成功的找到了約克城號，並立即發動攻擊。3顆炸彈命中約克城號，雖然遭到破壞，但是在美軍船員的極力搶修下，恢復了航行功能。
11點30分，南雲中將及其幕僚轉移到了長良號巡洋艦，開始集合殘餘的艦隊。
13時40分，10架日軍“九七”式魚雷攻擊機和6架“零”式戰鬥機又從飛龍號飛來，對受傷的約克城號發起了第二次攻擊。約克城號這次就沒那麼幸運，被兩枚魚雷擊中，左舷附近掀開兩個大洞，並把艦舵給軋住了。弗萊徹少將被