Eerste luchtaanvallen
Op 3 juni rond 09.00 uur zag een patrouillevliegtuig van de Amerikaanse marine de Japanse bezettingsmacht op 500 zeemijlen (580 mijl; 930 kilometer) ten westzuidwesten van Midway. Drie uur later vonden de Amerikanen de Japanse transportgroep 570 zeemijl (660 mijl; 1.060 kilometer) naar het westen. Ze vielen aan, maar geen van de bommen raakte en er ontstond geen grote schade. De volgende ochtend vroeg werd de Japanse olietanker Akebono Maru getroffen door een torpedo van een aanvallende PBY. Dit was de enige succesvolle door de lucht gelanceerde torpedoaanval van de VS tijdens de hele strijd.
Om 04:30 op 4 juni lanceerde Nagumo zijn aanval op Midway. Deze bestond uit 36 duikbommenwerpers 36 torpedobommenwerpers, geëscorteerd door 36 Mitsubishi Zero jagers. Tegelijkertijd lanceerde hij een defensieve gevechtsluchtpatrouille. Zijn acht zoekvliegtuigen lanceerden 30 minuten te laat.
De Japanse verkenningsplannen waren slecht, met te weinig vliegtuigen om de zoekgebieden te bestrijken. Yamamoto's beslissingen waren nu een serieus probleem geworden.
Terwijl Nagumo's bommenwerpers en jagers opstegen, verlieten 11 PBY's Midway om naar Japanse schepen te zoeken. Ze melden dat ze twee Japanse vliegdekschepen met lege dekken zien, wat betekent dat er een luchtaanval op komst is. De Amerikaanse radar pikt de vijand op enkele mijlen afstand op en de vliegtuigen worden uitgestuurd om Midway te verdedigen. Bommenwerpers gingen op weg om de Japanse vliegdekschepen aan te vallen. Amerikaanse jagers blijven achter om Midway te verdedigen. Om 06:20 uur bombardeerden Japanse vliegdekschepen de Amerikaanse basis en beschadigden deze zwaar. Marinepiloten van Midway, vliegend met F4F's en verouderde F2A's, onderschepten de Japanners en leden veel verliezen. De meeste Amerikaanse vliegtuigen werden in de eerste minuten neergeschoten; verschillende werden beschadigd en slechts twee konden vliegen. In totaal werden 3 F4F's en 13 F2A's neergeschoten. Het Amerikaanse luchtafweergeschut was nauwkeurig en beschadigde veel Japanse vliegtuigen en vernietigde er vier.
Van de 108 Japanse vliegtuigen die bij deze aanval betrokken waren, werden er 11 vernietigd, 14 zwaar beschadigd en 29 beschadigd. De eerste Japanse aanval heeft Midway niet vernietigd: Amerikaanse bommenwerpers konden de vliegbasis nog steeds gebruiken om bij te tanken en de Japanse invasiemacht aan te vallen. Het grootste deel van de verdediging van Midway op land bleef intact. Een nieuwe luchtaanval om de verdediging van Midway te vernietigen zou nodig zijn om de troepen op 7 juni aan land te kunnen laten gaan.
Op Midway gestationeerde Amerikaanse bommenwerpers voerden verschillende aanvallen uit op de Japanse vliegdekschipvloot. Deze omvatten zes Grumman Avengers van de VT-8 van de Hornet (Midway was de eerste gevechtsmissie voor de VT-8 vliegeniers, en het was het eerste gevecht van de TBF), Marine Scout-Bombing Squadron 241 (VMSB-241), bestaande uit elf SB2U-3's en zestien SBD's, plus vier USAAF B-26's, bewapend met torpedo's, en vijftien B-17's. De Japanners sloegen deze aanvallen af. De VS verloren twee jagers, vijf TBF's, twee SB2U's, acht SBD's en twee B-26's.
Een B-26 dook, na ernstig te zijn beschadigd door luchtafweer, recht op de Akagi af. Het toestel miste net de brug van het vliegdekschip. Het vliegtuig miste net de brug van het vliegdekschip, waardoor Nagumo en zijn commandostaf gedood hadden kunnen worden. Dit kan Nagumo hebben doen besluiten nog een aanval op Midway uit te voeren, tegen Yamamoto's bevel in om de reservemacht te behouden voor anti-scheepsoperaties.
Nagumo's besluit
Admiraal Nagumo had de helft van zijn vliegtuigen in reserve gehouden. Dit waren twee eskaders duikbommenwerpers en torpedobommenwerpers. Om 07:15 gaf Nagumo opdracht zijn reservevliegtuigen te herbewapenen met bommen voor gebruik tegen landdoelen. Om 07:40 uur zag een verkenningsvliegtuig van Tone een grote Amerikaanse zeemacht in het oosten. Het lijkt erop dat Nagumo de melding pas om 08:00 uur ontving. Nagumo draaide zijn bevel terug, maar het duurde 40 minuten voordat Tone's verkenner eindelijk via de radio doorgaf dat er een vliegdekschip in de Amerikaanse strijdmacht zat. Dit was een van de vliegdekschepen van TF 16; het andere vliegdekschip werd niet gezien.
Nagumo wist nu niet wat hij moest doen. Rear Admiral Tamon Yamaguchi raadde Nagumo aan aan te vallen met de beschikbare strijdkrachten: 18 Aichi D3A duikbommenwerpers elk op Sōryū en Hiryū, en de helft van de dekkingspatrouillevliegtuigen. Nagumo's kans om de Amerikaanse schepen te raken was nu echter beperkt. De aanvalsmacht van Midway zou binnenkort terugkeren en moest landen of in zee neerstorten. Door de constante activiteit op het vliegdek kregen de Japanners hun reservevliegtuigen niet op het vliegdek voor lancering. De weinige vliegtuigen die klaarstonden waren defensieve jachtvliegtuigen. Het lanceren van vliegtuigen zou minstens 30 tot 45 minuten hebben gekost. Door meteen te lanceren, zou Nagumo een deel van zijn reserve gebruiken zonder de juiste antischipwapens. Hij had net gezien hoe gemakkelijk onbegeleide Amerikaanse bommenwerpers waren neergeschoten. Slechte discipline zorgde ervoor dat veel van de Japanse bommenwerpers zich ontdeden van hun bommen en probeerden te vechten tegen onderscheppende F4F's. Japanse carrierregels gaven de voorkeur aan volledige aanvallen en aangezien Nagumo niet wist dat de Amerikaanse troepenmacht een carrier omvatte, volgde zijn reactie de Japanse regels. Bovendien zorgde de komst van nog een Amerikaanse luchtaanval om 07:53 uur ervoor dat Nagumo het eiland opnieuw wilde aanvallen. Nagumo besloot de landing van zijn eerste aanvalsmacht af te wachten en vervolgens de reserve te lanceren, die dan bewapend en gereed zou zijn.
Fletchers vliegdekschepen hadden hun vliegtuigen vanaf 07:00 uur gelanceerd, dus de vliegtuigen die Nagumo aanvielen waren al onderweg. Nagumo kon er niets aan doen. Dit was het manco van Yamamoto's plannen.
Aanvallen op de Japanse vloot
De Amerikanen hadden hun vliegdekschepen al ingezet tegen de Japanners. Admiraal Fletcher, die aan boord van Yorktown het bevel voerde en beschikte over PBY-waarnemingsrapporten van de vroege ochtend, gaf opdracht de Japanners zo snel mogelijk aan te vallen. Hij hield Yorktown in reserve voor het geval er andere Japanse vliegdekschepen zouden worden gevonden. (Fletchers instructies aan Spruance werden verzonden door Nimitz, die aan wal was gebleven).
Spruance dacht dat, hoewel het bereik ver was, een aanval kon slagen. Hij gaf het bevel om rond 06:00 uur de aanval in te zetten. Fletcher, die zijn eigen verkenningsvluchten had voltooid, volgde om 08:00 vanuit Yorktown.
Admiraal Fletcher, commandant van de Yorktown task force, en kapitein Elliott Buckmaster, de commandant van de Yorktown, en hun staf hadden ervaring met een volledige aanval op een vijandelijke troepenmacht in de Koraalzee. Maar ze konden niet doorgeven wat ze hadden geleerd aan Enterprise en Hornet, die het bevel kregen de eerste aanval uit te voeren. Spruance beval de vliegtuigen meteen naar het doel te gaan, omdat het vernietigen van vijandelijke vliegdekschepen belangrijk was voor de veiligheid van zijn schepen. Spruance besloot dat het belangrijker was zo snel mogelijk aan te vallen dan de aanval te coördineren met vliegtuigen van verschillende types en snelheden (jagers, bommenwerpers en torpedobommenwerpers). Amerikaanse eskaders gingen in verschillende groepen naar het doel. Hij hoopte dat hij Nagumo zou vinden met zijn vliegdekken vol vliegtuigen.
Amerikaanse vliegdekschepen hadden moeite om het doel te vinden. De aanval van Hornet, geleid door commandant Stanhope C. Ring, vloog niet in de juiste richting. De duikbommenwerpers van Air Group Eight misten de Japanse vliegdekschepen. Torpedo Squadron 8 vloog in de juiste richting. De 10 F4F's van Hornet hadden echter geen brandstof meer en moesten neerstorten in de oceaan. Waldrons squadron zag de vijandelijke vliegdekschepen en begon de aanval om 09:20 uur, gevolgd door Torpedo Squadron 6 (VT-6, van Enterprise) waarvan de Wildcat-jagerescorte ook zonder brandstof kwam te zitten en om 09:40 uur moest terugkeren. Zonder jagerescorte werden alle vijftien TBD Devastators van VT-8 neergeschoten zonder schade te kunnen aanrichten, met vaandrig George Gay als enige overlevende. VT-6 verloor 10 van hun 14 Devastators, en 10 van de 12 Devastators van VT-3 van Yorktown werden neergeschoten zonder treffers. Een deel van het probleem waren de slechte prestaties van de Mark 13 torpedo's. Hoge officieren van de marine en het Bureau of Ordnance hebben zich nooit afgevraagd waarom zes torpedo's, die zo dicht bij de Japanse vliegdekschepen werden losgelaten, geen treffers opleverden. De Japanse gevechtsluchtpatrouille, vliegend met Mitsubishi A6M2 Zero's, schoot de onbegeleide, trage, onderbewapende TBD's neer. Enkele TBD's slaagden erin dichtbij genoeg te komen om hun torpedo's te laten vallen en met hun machinegeweren op de vijandelijke schepen te schieten. Hierdoor moesten de Japanse vliegdekschepen scherpe bochten maken. De TBD Devastator werd nooit meer in de strijd gebruikt.
Hoewel de Amerikaanse torpedoaanvallen geen treffers opleverden, konden de Japanse vliegdekschepen zich niet voorbereiden en hun eigen aanval inzetten. Ze haalden ook de Japanse gevechtsluchtpatrouille (CAP) uit hun positie. Bovendien hadden veel Zero's te weinig munitie en brandstof. Het verschijnen van een derde torpedovliegtuigaanval vanuit het zuidoosten door Torpedo Squadron 3 (VT-3 van Yorktown) om 10:00 uur deed de Japanse CAP naar de zuidoosthoek van de vloot vliegen. Een betere discipline en het gebruik van meer Zero's voor de CAP zou Nagumo in staat hebben gesteld de schade van de komende Amerikaanse aanvallen te voorkomen.
Drie eskaders SBD's van Enterprise en Yorktown (respectievelijk VB-6, VS-6 en VB-3) naderden vanuit het zuidwesten en noordoosten. De twee eskaders van Enterprise hadden bijna geen brandstof meer vanwege de tijd die ze hadden besteed aan het zoeken naar de vijand. De eskadercommandant besloot echter de zoektocht voort te zetten. Hij zag de Japanse destroyer Arashi. Deze was op weg naar Nagumo's vliegdekschepen, nadat hij zonder succes de Amerikaanse onderzeeër Nautilus op diepte had gebracht. De Nautilus had eerder zonder succes het slagschip Kirishima aangevallen. Sommige bommenwerpers gingen verloren door gebrek aan brandstof voordat de aanval begon.
Het besluit van McClusky om de zoektocht voort te zetten was een grote hulp voor de Amerikaanse carrier task force en de troepen op Midway. De drie Amerikaanse squadrons duikbommenwerpers (VB-6, VS-6 en VB-3) kwamen op het juiste moment om aan te vallen. De meeste Japanse CAP waren op zoek naar de torpedovliegtuigen. Gewapende Japanse aanvalsvliegtuigen vulden de hangardekken, brandstofslangen lagen op de dekken en bommen en torpedo's lagen in de buurt van de hangars, waardoor de Japanse vliegdekschepen een groot risico liepen beschadigd te worden.
Vanaf 10.22 uur splitsten de twee eskaders van de luchtgroep van de Enterprise zich op en vielen twee doelen aan. Bij toeval vielen beide groepen de Kaga aan. Lieutenant Commander Richard Halsey Best en twee andere vliegtuigen gingen naar het noorden om Akagi aan te vallen. Bij een aanval van bijna twee volledige eskaders werd de Kaga getroffen door vier of vijf bommen, die zware schade veroorzaakten en brand stichtten die niet geblust kon worden. Een van de bommen landde bij de brug, waarbij de meeste hoge officieren omkwamen.
Enkele minuten later doken Best en twee vliegtuigen op de Akagi. Hoewel de Akagi één voltreffer kreeg (afgeworpen door luitenant-bestuurder Best). Het raakte de deklift en ging helemaal door naar het bovenste hangardek. Hij ontplofte tussen de bewapende en van brandstof voorziene vliegtuigen. Een andere bom ontplofte onder water die de cockpit verboog en schade aan het roer veroorzaakte.
Yorktown's VB-3, onder bevel van Max Leslie, viel Sōryū aan. Ze kregen minstens drie treffers en veroorzaakten veel schade. VT-3 richtte zich op Hiryū, maar kreeg geen treffers.
Binnen zes minuten stonden Sōryū en Kaga in brand. Ook Akagi werd ernstig beschadigd. De Japanners hoopten dat Akagi kon worden gered of teruggesleept naar Japan. Uiteindelijk werden alle drie de vliegdekschepen verlaten en tot zinken gebracht.
Japanse tegenaanvallen
Hiryū, het enige overgebleven Japanse vliegdekschip viel aan. De eerste aanval van de Hiryū bestond uit 18 duikbommenwerpers en zes jachtvliegtuigen. Ze volgden de terugtrekkende Amerikaanse vliegtuigen en vielen de Yorktown aan met drie bommen, die een gat in het dek sloegen, haar ketels uitschakelden en verschillende luchtafweergeschutten vernietigden. Ondanks de schade konden reparatieteams het vliegdek en verschillende ketels binnen een uur repareren. Twaalf Japanse duikbommenwerpers en vier begeleidende jagers gingen bij deze aanval verloren.
Ongeveer een uur later vond de tweede aanval van de Hiryū plaats. Deze bestond uit tien torpedobommenwerpers en zes begeleidende A6M's. De Amerikaanse reparatiewerkzaamheden waren zo goed uitgevoerd dat de Japanners aannamen dat het een ander, onbeschadigd vliegdekschip moest zijn. Tijdens de aanval werd Yorktown getroffen door twee torpedo's; ze verloor alle kracht en kantelde naar bakboord, waardoor ze buiten gevecht werd gesteld. Admiraal Fletcher verplaatste zijn commandostaf naar de zware kruiser Astoria. Geen van de vliegdekschepen van Spruance's Task Force 16 werd beschadigd.
Het nieuws van de twee aanvallen, met de berichten dat elk een Amerikaans vliegdekschip (in beide gevallen de Yorktown) tot zinken had gebracht, verbeterde het moreel in de Kido Butai aanzienlijk. De weinige overgebleven vliegtuigen werden aan boord van de Hiryū gebracht, waar ze werden klaargemaakt voor een aanval op wat werd verondersteld het enige overgebleven Amerikaanse vliegdekschip te zijn.
Amerikaanse tegenaanval
Laat in de middag lokaliseerde een Yorktown verkenningsvliegtuig Hiryū. Enterprise lanceerde een aanval van duikbommenwerpers (waaronder 10 SBD's van Yorktown). Ondanks dat Hiryū werd verdedigd door meer dan een dozijn Zero-jagers, was de aanval van Enterprise succesvol: vier, mogelijk vijf bommen troffen Hiryū, waardoor ze in brand stond en geen vliegtuigen meer kon bedienen. (De aanval van Hornet was gericht op de escorteschepen, maar kreeg geen treffers.) Na hopeloze pogingen om het vuur onder controle te krijgen, werd het grootste deel van de bemanning van de Hiryū van boord gehaald. De rest van de vloot voer verder naar het noordoosten om de Amerikaanse vliegdekschepen in te halen. De Hiryū bleef nog enkele uren drijven. Ze werd ontdekt door een vliegtuig van het lichte vliegdekschip Hōshō. Dit leidde tot de hoop dat ze kon worden gered of teruggesleept naar Japan. Kort na de ontdekking zonk de Hiryū echter. Schout-bij-nacht Yamaguchi koos ervoor om met zijn schip ten onder te gaan, wat Japan haar beste vliegdekschipofficier kostte.
Terwijl de duisternis viel, dachten beide partijen na over de situatie en maakten plannen voor actie. Admiraal Fletcher moest de Yorktown verlaten. Hij vond dat hij vanaf een kruiser niet het commando kon voeren. Hij gaf het commando over aan Spruance. Spruance wist dat de Verenigde Staten een grote overwinning hadden behaald, maar hij was nog niet zeker welke Japanse troepen er overbleven. Hij wilde Midway en zijn vliegdekschepen beschermen. Hij volgde Nagumo overdag en bleef volgen toen de nacht viel. Uiteindelijk trok Spruance zich terug naar het oosten uit angst voor een mogelijk nachtelijk gevecht met Japanse schepen en omdat hij geloofde dat Yamamoto nog steeds van plan was om binnen te vallen. Om middernacht keerde hij terug naar het westen in de richting van de vijand. Yamamoto besloot de aanvallen voort te zetten en stuurde zijn resterende schepen naar het oosten op zoek naar de Amerikaanse vliegdekschepen. Hij stuurde ook een kruiser-raidforce om het eiland te bombarderen. De Japanse schepen slaagden er niet in contact te maken met de Amerikanen omdat Spruance besloot terug te trekken naar het oosten, en Yamamoto beval een terugtrekking naar het westen.
Spruance slaagde er op 5 juni niet in weer contact te krijgen met de troepen van Yamamoto, hoewel hij vele zoekacties ondernam. Tegen het einde van de dag lanceerde hij een aanval op schepen van Nagumo's carrier force. Deze aanval miste Yamamoto's belangrijkste groep schepen. Er werd geen Japanse torpedojager geraakt. De gevechtsvliegtuigen keerden na het vallen van de avond terug naar de vliegdekschepen. Spruance gaf Enterprise en Hornet opdracht hun lichten aan te doen om de landingen te ondersteunen.
Om 02:15 uur in de nacht van 5 op 6 juni leverde de Tambor van commandant John Murphy, in het water 90 zeemijlen (100 mijl; 170 kilometer) ten westen van Midway, de tweede van de belangrijkste bijdragen van de onderzeebootmacht aan de uitkomst van de slag. Toen Murphy en zijn leidinggevende officier, Ray Spruance Jr., verschillende schepen zagen, konden zij deze niet identificeren. Ervan uitgaande dat het Amerikaanse schepen konden zijn, vuurde Murphy niet, maar rapporteerde de schepen aan admiraal Robert English, Commander, Submarine Force, Pacific Fleet (COMSUBPAC). Dit rapport werd doorgestuurd naar Nimitz, die het vervolgens doorstuurde naar Spruance. Spruance nam aan dat dit de invasiemacht was en trok op om deze te blokkeren terwijl hij 100 nautische mijlen (120 mijl; 190 kilometer) ten noordoosten van Midway bleef.
De schepen die Tambor zag, waren de vier kruisers en twee torpedojagers die Yamamoto had gestuurd om Midway te bombarderen. Om 02:55 ontvingen deze schepen Yamamoto's bevel om zich terug te trekken en veranderden van koers. Op ongeveer hetzelfde moment als de koerswijziging werd Tambor gezien en om een onderzeebootaanval te voorkomen raakten Mogami en Mikuma elkaar, waardoor de boeg van Mogami ernstige schade opliep. De minder zwaar beschadigde Mikuma vertraagde tot 12 knopen (22 kilometer per uur; 14 mijl per uur). Dit was de meeste schade die een van de 18 onderzeeërs die voor de strijd werden ingezet, opliep. Pas om 04:12 uur werd de lucht helder genoeg voor Murphy om er zeker van te zijn dat de schepen Japans waren. De aanval was niet succesvol en rond 06:00 uur meldde hij uiteindelijk twee cruisers van de Mogami-klasse in westelijke richting.
In de volgende twee dagen voerden eerst Midway en daarna de vliegdekschepen van Spruance verschillende aanvallen uit. De Mikuma werd tot zinken gebracht door Dauntlesses, terwijl de Mogami de schade overleefde en naar huis terugkeerde voor reparatie. De destroyers Arashio en Asashio werden ook gebombardeerd en beschoten tijdens de laatste van deze aanvallen.
De Yorktown werd gesleept door de USS Vireo. In de late namiddag van 6 juni vuurde de I-168 echter torpedo's af; twee troffen de Yorktown, maar een derde trof en bracht de destroyer USS Hammann, die de Yorktown van stroom had voorzien, tot zinken. Hammann brak in tweeën met het verlies van 80 levens. Yorktown zonk net na 05:00 uur op 7 juni.