Kezdeti légitámadások
Június 3-án 09:00 óra körül az amerikai haditengerészet egyik járőrgépe észlelte a japán megszálló erőket 500 tengeri mérföldre (580 mérföldre; 930 kilométerre) Midwaytől nyugat-délnyugatra. Három órával később az amerikaiak 570 tengeri mérföldre (660 mérföld; 1060 kilométer) nyugatra megtalálták a japán szállítócsoportot. Támadtak, de egyik bomba sem talált, és nem keletkezett nagyobb kár. Másnap kora reggel az Akebono Maru japán olajszállítót egy támadó PBY torpedója találta el. Ez volt az egyetlen sikeres légi torpedótámadás az USA részéről az egész csata során.
Június 4-én 04:30-kor Nagumo megindította támadását Midway ellen. A támadás 36 zuhanóbombázóból 36 torpedóbombázóból állt, 36 Mitsubishi Zero vadászgép kíséretében. Ezzel egyidejűleg védekező harci légi őrjáratot indított. Nyolc kutatógépe 30 perc késéssel indult.
A japán felderítési tervek hiányosak voltak, túl kevés repülőgép volt a keresési területek lefedéséhez. Yamamoto döntései most már komoly problémává váltak.
Miközben Nagumo bombázói és vadászgépei felszálltak, 11 PBY indult Midwayről, hogy japán hajók után kutasson. Jelentették, hogy két japán hordozót észleltek üres fedélzettel, ami azt jelentette, hogy légi csapás készülődik. Az amerikai radarok több mérföldes távolságban észlelték az ellenséget, és repülőgépeket küldtek Midway védelmére. A bombázók elindultak, hogy megtámadják a japán hordozóflottát. Az amerikai vadászgépek hátramaradtak Midway védelmére. 06:20-kor japán hordozó repülőgépek bombázták és súlyosan megrongálták az amerikai támaszpontot. A Midwayen állomásozó tengerészgyalogos vadászpilóták F4F-ekkel és elavult F2A-kkal repülve elfogták a japánokat, és sok veszteséget szenvedtek. Az amerikai gépek többségét az első percekben lelőtték, több gép megsérült, és csak kettő tudott repülni. Összesen 3 F4F-et és 13 F2A-t lőttek le. Az amerikai légvédelmi tűz pontos volt, sok japán gépet megrongált, négyet pedig megsemmisített.
A támadásban részt vevő 108 japán repülőgépből 11 megsemmisült, 14 súlyosan megrongálódott, 29 pedig megsérült. A kezdeti japán támadás nem semmisítette meg Midwayt: Az amerikai bombázók továbbra is használhatták a légibázist, hogy feltankoljanak és megtámadják a japán inváziós erőket. Midway szárazföldi védelmének nagy része sértetlen maradt. Egy újabb légitámadásra lett volna szükség Midway védelmének megsemmisítésére, ha a csapatok június 7-ig partra tudtak volna szállni.
A Midwayen állomásozó amerikai bombázók több támadást intéztek a japán hordozóflotta ellen. Ezek között volt hat Grumman Avenger a Hornet VT-8-asból (Midway volt az első harci bevetés a VT-8-asok számára, és ez volt a TBF első harci bevetése), a 241-es tengerészgyalogos felderítő-bombázó század (VMSB-241), amely tizenegy SB2U-3-asból és tizenhat SBD-ből állt, valamint négy USAAF B-26-os, torpedókkal felfegyverzett és tizenöt B-17-es. A japánok visszaverték ezeket a támadásokat. Az USA két vadászgépet, öt TBF-et, két SB2U-t, nyolc SBD-t és két B-26-ost veszített.
Az egyik B-26-os, miután súlyosan megsérült a légvédelmi tűzben, egyenesen az Akagi felé zuhant. A gép éppen csak elkerülte a hordozó hídját, ami Nagumo és parancsnoki állománya halálát okozhatta volna. Ez késztethette Nagumót arra a döntésre, hogy újabb támadást indítson Midway ellen, Yamamoto azon parancsa ellenére, hogy a hajóelhárító műveletekhez tartsa meg a tartalékerőt.
Nagumo döntése
Nagumo admirális a repülőgépeinek felét tartalékban tartotta. Ezek két századnyi zuhanóbombázó és torpedóbombázó volt. Nagumo 07:15-kor elrendelte, hogy a tartalék gépeit fegyverezzék fel bombákkal, hogy szárazföldi célpontok ellen használhassák őket. 07:40-kor egy felderítő repülőgép Tone-ból nagy amerikai haditengerészeti erőt észlelt keletre. Úgy tűnik, Nagumo csak 08:00-kor kapta meg a jelentést. Nagumo visszafordította a parancsát, de 40 percbe telt, mire Tone felderítője végül rádión közölte, hogy az amerikai erők között van egy repülőgép-hordozó. Ez a TF 16 egyik hordozója volt; a másik hordozót nem észlelték.
Nagumo most már nem tudta, mit tegyen. Tamon Yamaguchi ellentengernagy azt javasolta, hogy Nagumo a rendelkezésre álló erőkkel csapjon le: Sōryūra és Hiryura egyenként 18 Aichi D3A zuhanóbombázóval, valamint a fedező járőrgépek felével. Nagumo lehetősége az amerikai hajók eltalálására azonban most már korlátozott volt. A midwayi csapásmérő erő rövidesen visszatérne, és le kellett szállnia, vagy a tengerbe kellett zuhannia. A folyamatos fedélzeti tevékenység miatt a japánok nem tudták a tartalékgépeiket a fedélzetre juttatni indításra. Az a néhány repülőgép, amely készen állt, védekező vadászgép volt. A repülőgépek indítása legalább 30-45 percet vett volna igénybe. Azonnali indítással Nagumo a tartalékának egy részét megfelelő hajóelhárító fegyverek nélkül használta volna fel. Éppen most látta, milyen könnyen lőtték le a kíséret nélküli amerikai bombázókat. A rossz fegyelem miatt a japán bombázók közül sokan megszabadultak a bombáiktól, és megpróbáltak harcolni az elfogó F4F-ek ellen. A japán hordozószabályok a teljes csapást részesítették előnyben, és mivel Nagumo nem tudta, hogy az amerikai haderőben van egy hordozó is, a válasza a japán szabályokat követte. Ráadásul egy újabb amerikai légicsapás érkezése 07:53-kor arra késztette Nagumót, hogy ismét megtámadja a szigetet. Nagumo úgy döntött, hogy megvárja, amíg az első csapásmérő erő leszáll, és csak azután indítja el a tartalékot, amely addigra már felfegyverkezve és készen állt.
Fletcher hordozói 07:00 órakor indították el gépeiket, így a Nagumót támadó repülőgépek már úton voltak. Nagumo semmit sem tehetett ez ellen. Ez volt a hibája Yamamoto terveinek.
Támadások a japán flotta ellen
Az amerikaiak már elindították hordozó repülőgépeiket a japánok ellen. A Yorktown fedélzetén parancsnokló Fletcher admirális, aki a kora reggeli PBY észlelési jelentések birtokában a lehető leghamarabb támadást rendelt el a japánok ellen. A Yorktownt tartalékban tartotta arra az esetre, ha további japán hordozókat találnának. (Fletcher utasításait Spruance-nek Nimitz küldte, aki a parton maradt.)
Spruance úgy vélte, hogy bár a hatótávolság messze van, egy támadás sikerrel járhat. A támadás megindítására 06:00 körül adta ki a parancsot. Fletcher, miután befejezte saját felderítő repüléseit, 08:00-kor követte a Yorktownból.
Fletcher admirális, a Yorktown hadtest parancsnoka, valamint Elliott Buckmaster kapitány, a Yorktown parancsnoka és vezérkaruk már rendelkeztek tapasztalattal a Korall-tengeren egy ellenséges haderő elleni teljes csapás végrehajtásában. De nem tudták átadni a tanultakat az Enterprise-nak és a Hornetnek, amelyeknek az első csapást kellett végrehajtaniuk. Spruance utasította a gépeket, hogy azonnal induljanak a célpont felé, mivel az ellenséges hordozók megsemmisítése fontos volt a hajói biztonsága szempontjából. Spruance úgy döntött, hogy fontosabb a minél gyorsabb támadás, mint a különböző típusú és sebességű repülőgépek (vadászok, bombázók és torpedóbombázók) támadásának összehangolása. Az amerikai századok több különböző csoportban indultak a célpont felé. Azt remélte, hogy Nagumót repülőgépekkel teli fedélzetekkel találja majd.
Az amerikai hordozó repülőgépek nehezen tudták bemérni a célpontot. A Stanhope C. Ring parancsnok vezette Hornetről indított csapás nem a megfelelő irányba repült. A Nyolcas Légicsoport zuhanóbombázói elkerülték a japán hordozókat. [szükséges oldal] A 8. Torpedószázad a megfelelő irányba repült. A Hornet 10 F4F-jének azonban elfogyott az üzemanyaga, és az óceánba kellett zuhanniuk. Waldron százada meglátta az ellenséges hordozókat és 09:20-kor megkezdte a támadást, majd a 6. Torpedószázad (VT-6, az Enterprise-ról) következett, amelynek Wildcat vadászkísérőinek szintén kifogyott az üzemanyaga és 09:40-kor vissza kellett fordulniuk. Vadászkíséret nélkül a VT-8 mind a tizenöt TBD Devastatorát lelőtték anélkül, hogy kárt tudtak volna tenni, George Gay zászlós volt az egyetlen túlélő. A VT-6 14 Devastatorjából 10-et vesztett el, a Yorktown VT-3 12 Devastatorából pedig 10-et lőttek le találat nélkül. A probléma részben a Mark 13-as torpedók gyenge teljesítménye volt. A haditengerészet és a Bureau of Ordnance magas rangú tisztjei soha nem kérdezték meg, hogy a japán hordozókhoz olyan közel kilőtt hat torpedó miért nem ért el találatot. A japán harci légi járőr, amely Mitsubishi A6M2 Zerókkal repült, lelőtte a kíséret nélküli, lassú, alulfegyverzett TBD-ket. Néhány TBD-nek sikerült elég közel kerülnie ahhoz, hogy ledobja a torpedóit, és géppuskáival lője az ellenséges hajókat. Ez a japán hordozókat éles fordulókra késztette. A TBD Devastatort soha többé nem használták harcban.
Annak ellenére, hogy nem sikerült találatot elérni, az amerikai torpedótámadások miatt a japán repülőgép-hordozók képtelenek voltak felkészülni és saját csapást mérni. A japán légi járőröket (CAP) is kizavarták a pozíciójukból. Emellett sok Zérónak fogytán volt a lőszere és az üzemanyaga. A Yorktownról érkező 3. torpedóraj (VT-3) délkeleti irányú harmadik torpedórepülőgép-támadásának megjelenése 10:00-kor a japán CAP-t a flotta délkeleti sarkába repítette. Jobb fegyelemmel és több Zéró használatával a CAP talán lehetővé tette volna Nagumo számára, hogy megelőzze a közelgő amerikai támadások okozta károkat.
Az Enterprise és a Yorktown három SBD-százada (VB-6, VS-6 és VB-3) délnyugat és északkelet felől közeledett. Az Enterprise két századának fogytán volt az üzemanyaga az ellenség keresésével töltött idő miatt. A századparancsnok azonban úgy döntött, hogy folytatják a keresést. Észrevette az Arashi japán rombolót. Az éppen Nagumo hordozóihoz csatlakozott, miután sikertelenül mélységi támadást hajtott végre az amerikai Nautilus tengeralattjáró ellen. A Nautilus korábban sikertelenül támadta meg a Kirishima csatahajót. Néhány bombázó üzemanyaghiány miatt elvesztette a képességét, mielőtt a támadás megkezdődött volna.
McClusky döntése, hogy folytatja a keresést, nagy segítséget jelentett az amerikai repülőgép-hordozó különítménynek és a Midwaynél lévő erőknek. Mindhárom amerikai zuhanóbombázó század (VB-6, VS-6 és VB-3) a megfelelő időben érkezett a támadáshoz. A japán CAP nagy része a torpedórepülőket kereste. A felfegyverzett japán csapásmérő repülőgépek megtöltötték a hangárfedélzeteket, a fedélzeteken üzemanyagtömlők hevertek, a hangárok közelében pedig bombák és torpedók voltak, így a japán hordozókat nagy veszély fenyegette.
10:22-kor kezdődően az Enterprise légi csoportjának két századát szétválasztották, és két célpontot támadtak. Véletlenül mindkét csoport a Kaga-t támadta. Richard Halsey Best parancsnokhelyettes és két másik repülőgép észak felé vette az irányt, hogy megtámadja Akagit. A majdnem két teljes század támadása alá kerülő Kagát négy-öt bomba találta el, ami súlyos károkat okozott, és tüzet gyújtott, amit nem tudtak eloltani. Az egyik bomba a híd közelében landolt, megölve a legtöbb főtisztet.
Néhány perccel később a Best és két repülőgép lemerült az Akagira. Bár az Akagi egy közvetlen találatot kapott (Best parancsnokhelyettes dobta le). Ez a fedélzeti liftet találta el, és egészen a felső hangárfedélzetig hatolt. A felfegyverzett és üzemanyaggal feltöltött repülőgépek között robbant fel. Egy másik bomba a víz alatt robbant fel, ami meghajlította a repülőfedélzetet és kormánylapát sérüléseket okozott.
A Yorktown VB-3, Max Leslie parancsnoksága alatt, megtámadta Sōryūt. Legalább három találatot kaptak, és nagy károkat okoztak. A VT-3 a Hiryūt vette célba, de nem kapott találatot.
Hat percen belül Sōryū és Kaga lángokban állt. Akagi is súlyosan megsérült. A japánok abban reménykedtek, hogy az Akagit meg tudják menteni, vagy vissza tudják vontatni Japánba. Végül végül mindhárom hordozót elhagyták és elsüllyesztették.
Japán ellentámadások
Hiryū, az egyetlen túlélő japán repülőgép-hordozót megtámadták. A Hiryū első támadása 18 zuhanóbombázóból és hat vadászkísérőből állt. A visszavonuló amerikai repülőgépeket követve megtámadták a Yorktownt, és három bombával eltalálták, amelyek lyukat ütöttek a fedélzeten, kioltották a kazánjait, és megsemmisítettek több légvédelmi ágyút. A sérülések ellenére a javítócsapatoknak egy óra alatt sikerült kijavítaniuk a fedélzetet és több kazánt is megjavítaniuk. A támadásban tizenkét japán zuhanóbombázó és négy kísérő vadászgép veszett oda.
Körülbelül egy órával később Hiryū második támadására került sor. Ez tíz torpedóbombázóból és hat kísérő A6M-ből állt. Az amerikai javítási munkálatok olyan jól sikerültek, hogy a japánok azt feltételezték, hogy a hajó egy másik, sértetlen hordozó lehet. A támadás során a Yorktownt két torpedó találta el; elvesztette minden erejét, és balra dőlt, ami miatt harcképtelenné vált. Fletcher admirális átköltöztette parancsnoki állományát az Astoria nehézcirkálóra. Spruance 16-os munkacsoportjának egyik hordozója sem sérült meg.
A két csapás híre, valamint a jelentések, amelyek szerint mindkét esetben elsüllyesztettek egy-egy amerikai repülőgép-hordozót (valójában mindkét esetben a Yorktownt), nagyban javította a morált a Kido Butaiban. A kevés túlélő repülőgépet mind a Hiryū fedélzetére vitték, ahol felkészítették őket a támadásra a vélhetően egyetlen megmaradt amerikai hordozó ellen.
Amerikai ellentámadás
Késő délután egy Yorktown felderítő repülőgép lokalizálta Hiryut. Az Enterprise zuhanóbombázókból álló csapást indított (köztük 10 SBD-t a Yorktownról). Annak ellenére, hogy a Hiryūt több mint egy tucat Zero vadászgép védte, az Enterprise támadása sikeres volt: négy, valószínűleg öt bomba találta el a Hiryut, így az kigyulladt, és képtelen volt a repülőgépek működtetésére. (A Hornet csapása a kísérőhajókat célozta, de nem ért el találatot.) A tűz megfékezésére tett reménytelen kísérletek után a Hiryūn maradt legénység nagy részét leszállították a hajóról. A flotta többi része továbbhajózott északkelet felé, hogy utolérje az amerikai hordozókat. A Hiryū még néhány óráig a vízben maradt. A Hōshō könnyűhordozó egyik repülőgépe fedezte fel. Ez reményt adott arra, hogy megmenthetik vagy visszavontathatják Japánba. Azonban nem sokkal az észlelés után a Hiryū elsüllyedt. Yamaguchi ellentengernagy úgy döntött, hogy a hajójával együtt süllyed el, így Japán a legjobb hordozótisztjét veszítette el.
Ahogy besötétedett, mindkét fél átgondolta a helyzetet, és cselekvési terveket készített. Fletcher admirálisnak el kellett hagynia a Yorktownt. Úgy érezte, hogy nem tudna egy cirkálóról parancsnokoskodni. Átadta a parancsnokságot Spruance-nak. Spruance tudta, hogy az Egyesült Államok nagy győzelmet aratott, de még mindig nem volt biztos abban, hogy milyen japán erők maradtak. Meg akarta védeni Midwayt és a hordozóit. Napközben követte Nagumót, és az éjszaka beálltával is folytatta a követést. Végül, mivel félt a japán hajókkal vívott esetleges éjszakai csatától, és úgy vélte, hogy Yamamoto még mindig támadni akar, Spruance kelet felé húzódott vissza. Éjfélkor fordult vissza nyugatra, az ellenség felé. Yamamoto úgy döntött, hogy folytatja a támadásokat, és a megmaradt hajóit kelet felé küldte az amerikai hordozók keresésére. Egy cirkálót is küldött, hogy bombázza a szigetet. A japán hajóknak nem sikerült kapcsolatba lépniük az amerikaiakkal, mivel Spruance úgy döntött, hogy kelet felé húzódik vissza, és Yamamoto elrendelte a nyugatra való visszavonulást.
Spruance-nak június 5-én nem sikerült újra felvennie a kapcsolatot Yamamoto erőivel, noha többször is keresett. A nap vége felé támadást indított Nagumo anyahajói ellen. Ez a csapás elkerülte Yamamoto fő hajócsoportját. Egyetlen japán rombolót sem talált el. A csapásmérő gépek sötétedés után visszatértek a hordozókra. Spruance utasította az Enterprise-t és a Hornetet, hogy kapcsolják fel a fényeket, hogy segítsék a partraszállást.
Június 5/6-án éjjel 02:15-kor a John Murphy parancsnok vezette Tambor a Midwaytől 90 tengeri mérföldre (100 mérföldre; 170 kilométerre) nyugatra lévő vízben a tengeralattjáró-erők második jelentős hozzájárulását adta a csata kimeneteléhez. Több hajót is észlelt, de sem Murphy, sem a parancsnoka, Ray Spruance Jr. nem tudta azonosítani őket. Tekintettel arra, hogy amerikai hajókról lehet szó, Murphy nem lőtt, hanem jelentette a hajókat Robert English admirálisnak, a csendes-óceáni flotta tengeralattjáró-erőinek parancsnokának (COMSUBPAC). Ezt a jelentést elküldték Nimitznek, aki aztán továbbította Spruance-nak. Spruance feltételezte, hogy ez az inváziós erő, és megindult, hogy blokkolja azt, miközben 100 tengeri mérföldre (120 mérföld; 190 kilométer) északkeletre maradt Midwaytől.
A Tambor által észlelt hajók a négy cirkáló és két romboló voltak, amelyeket Yamamoto Midway bombázására küldött. 02:55-kor ezek a hajók megkapták Yamamoto parancsát, hogy vonuljanak vissza, és megváltoztatták az irányt. Az irányváltoztatással nagyjából egy időben a Tambort is észlelték, és hogy elkerüljék a tengeralattjáró támadását, a Mogami és a Mikuma egymásnak ütközött, súlyos sérüléseket okozva a Mogami orrában. A kevésbé súlyosan sérült Mikuma 12 csomóra (22 kilométer/óra; 14 mérföld/óra) lassult. Ez volt a legnagyobb kár, amit a csatában bevetett 18 tengeralattjáró közül bármelyik elért. Csak 04:12-kor világosodott ki az ég eléggé ahhoz, hogy Murphy megbizonyosodjon arról, hogy a hajók japánok, ekkorra már veszélyes volt a felszínen maradni, ezért lemerült, hogy megközelítse a támadáshoz. A támadás sikertelen volt, és 06:00 körül végül két nyugat felé tartó Mogami-osztályú cirkálót jelentett.
A következő két napban először a Midway, majd Spruance hordozói indítottak több támadást. A Mikuma-t elsüllyesztették a Dauntlessek, míg a Mogami túlélte a sérüléseket, és hazatért javításra. Az Arashio és az Asashio rombolókat is bombázták és géppuskázták az utolsó ilyen támadás során.
A Yorktownt a USS Vireo vontatta. Június 6-án késő délután azonban az I-168 torpedókat lőtt ki; kettő eltalálta a Yorktownt, de egy harmadik eltalálta és elsüllyesztette a USS Hammann rombolót, amely a Yorktownt látta el energiával. A Hammann 80 emberéletet követelve kettétört. A Yorktown nem sokkal június 7-én 05:00 óra után süllyedt el.