6月4日天东方的天空刚刚露出太阳的光辉，中途岛派出的“卡塔林娜”式侦察机发回发现日军航空母舰的报道，斯普鲁恩斯少将立即做出反应，准备攻击日军航母（其实法兰克·弗莱彻海军少将是这次行动的总指挥，但是斯普鲁恩斯首先发动空袭）。美国舰队因为已经破解了日本海军“JN-25”的通讯密码，而对敌人的计划了如指掌。
6月4日凌晨，日本舰载机向中途岛发动了猛烈的攻击。驻扎在中途岛的美军战斗机也全部升空，迎击来犯的日本战机。美军的轰炸机，包括了B-17型轰炸机也向日本舰队发动还击。
7点第一波攻击完毕，友永丈市大尉率第一攻击波机群准备开始返航，并向南云中将发出了需要进行第二次攻击的电报。
7时06分，由战斗机、鱼雷机、俯冲轰炸机所组成的117架战机，从斯普鲁恩斯少将所率领的第16特混编队大黄蜂号及企业号升空，奔向200海里外的南云舰队。8时40分，15海里以外的弗莱彻少将率领的第17特混编队约克城号起飞了35架战机。
7时10分，首批从中途岛起飞的10架美军鱼雷轰炸机出现在南云舰队的上空。美军飞机排成单行，扑向日航空母舰。在日军战斗机的截杀和日舰猛烈的炮火下，很快就击落了7架。友永的报告和美机的攻击，使南云中将相信中途岛的防御力量还很强，于是决定把原来准备用于对付美舰的飞机改为对中途岛进行第二次轰炸。此时，他仍然没有发现美军舰队。
7时15分，南云下令赤城号和加贺号将在甲板上已经装好鱼雷的飞机送下机库，卸下鱼雷换装对地攻击的高爆炸弹。
7时30分，南云接到利根号推迟半小时起飞的一架侦察机发来的电报，距中途岛约240海里的海面发现10艘美国军舰。南云命该侦察机继续查明敌人舰队是否拥有航空母舰，同时命令暂停对鱼雷机的换弹。就在南云等待侦察机的侦察结果时，空中再次响起了警报。40余架从中途岛起飞的美军B-17轰炸机和俯冲轰炸机扑向南云的舰队。由于美军的轰炸机没有战斗机护航，结果很快的就被南云派出的零式战斗机击退。
8时15分，南云终于接到了侦察机传来的报告：美军舰队里确实有航母的存在。南云下令各舰停止装炸弹，飞机再次送回机库重新改装鱼雷，日本航空母舰的甲板上一片混乱，为了争取时间，卸下的炸弹，都堆放在甲板上。
8时30分，空袭中途岛的第一攻击波机群返航飞抵日本舰队的上空。还有那些保护航空母舰的战斗机也需要降落加油。南云处于进退维谷的境地。第二航空母舰战队司令山口海军少将向南云建议“立即命令攻击部队起飞”。第二批突击飞机换装鱼雷还没有完成，如果马上发动进攻，也没有战斗机护航。而且舰上的跑道被起飞的飞机占用，那么油箱空空的第一攻击波机群会掉进海里。南云决定把攻击时间推迟，首先收回空袭中途岛和拦截美军轰炸机的飞机，然后重新组织部队以进攻美军特混舰队。
8时37分，返航的飞机开始相继降落在四艘航空母舰飞行甲板上。
9时18分，全部飞机的作业完毕。南云命令舰队以30节的航速向北航行，以避开再来攻击的美机，准备全力进攻美军特混舰队。9时20分，掩护日本舰队的战斗机开始起飞。
9时25分，一队由大黄蜂号起飞的15架“复仇者”式鱼雷轰炸机组成的编队发现了南云舰队。不幸的是，他们的燃油即将耗尽，而且没有战斗机护航。在自杀式攻击中，被零式战斗机和高射炮火全部击落，30名飞行员除1人生还外全部遇难。
9时30分，从企业号、约克城号起飞的28架美军战机陆续尾随而来，向苍龙号和飞龙号展开攻击。然而在攻击南云舰队的时候遭到重创，损失了20架鱼雷轰炸机，美机所投鱼雷竟无一命中。
10时20分，由美军的攻击飞机甲板开始执行给护航的零式战斗机加油加弹作业，无法准备反击波（最新历史资料纠正所谓的命运5分钟）。正当日军战斗机在低空忙着驱赶美军鱼雷机时，南云舰队的上空出现了33架由克拉伦斯·麦克拉斯基少校率领从企业号起飞的无畏式俯冲轰炸机。此时，日舰正在掉头转到迎风的方向，处于极易受攻击的境地，只停放着几架零式战斗机
经过3小时激战，日本的防御屏障似乎证实牢不可破，因此日军改变了93架轰炸机和鱼雷飞机的任务。但在上午10时22分，这个牢不可破的防御屏障终于打开一个缺口。“飞龙”号航母忽然脱离箱形编队，向北驶去；但其余3艘航母仍然抱成一团，在飞机起飞点进行反击。它们的飞行甲板成了邀请大灾难降临的地方：一群飞行员激动地加大发动机的转速，一堆堆炸弹放得乱七八糟，军官士兵紧张地奔跑，高辛烷油料软管像蛇一样在人们的脚下弯弯曲曲。只需要5分钟就能完成出击准备一举消灭美国航母。
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