Эти 10 самолетов заметили вражеские авианосцы в 7.10, однако японцы увидели их еще раньше. Истребители «Зеро» бросились в атаку, а зенитные орудия открыли бешеный огонь. Несколько торпедоносцев были сбиты раньше, чем успели сбросить торпеды. Японские авианосцы легко уклонились от всех торпед, а одна даже была взорвана в воде пулеметной очередью. Один В-26, поврежденный зенитным огнем, скользнул по полетной палубе «Акаги», чуть было не врезавшись в командирский мостик, и рухнул в море. Остальные самолеты были буквально разорваны на куски вражескими снарядами. На Мидуэй сумели вернуться только 1 «Авенджер» с убитым стрелком и раненным радистом и 2 изрешеченных В-26. (Один В-26 на следующий день улетел на Оаху с радостным известием о том, что самолеты ВВС «торпедировали» японский авианосец.)

Пока корабли Нагумо уклонялись от торпед, японский адмирал находился в глубоком раздумье. Сообщение Томонага и атака торпедоносцев убедили его, что требуется второй налет на Мидуэй. После взлета первой волны на палубы авианосцев были подняты еще 108 самолетов: 36 «Кейтов» с торпедами на «Акаги» и «Кага», 36 «Вэлов» на «Сорю» и «Хирю» и 36 истребителей. Эти самолеты стояли в готовности к немедленному взлету, чтобы атаковать американские корабли, как только те будут обнаружены самолетами-разведчиками. В 7.15 адмирал Нагумо приказал перевооружить торпедоносцы на «Акаги» и «Кага» бомбами для повторной атаки Мидуэя. Это означало долгую утомительную работу. А если учесть, что нужно было принимать возвращающиеся самолеты первой волны, то эти 2 авианосца оказывались занятыми на целый час.

Наконец в 7.28 один из самолетов «Тонэ», взлетевших на полчаса позже срока, сообщил: «Вижу 10 кораблей, очевидно, неприятельских. Пеленг 10º, расстояние 240 миль от Мидуэя». Эта точка находились в 200 милях от японских авианосцев. Так адмирал Нагумо впервые узнал о присутствии возле атолла американских кораблей. Однако он еще не знал, есть ли среди них авианосцы. На мостике «Акаги» долго обсуждали ситуацию, и наконец Нагумо распорядился уже вооруженные бомбами «Кейты» обратно перевооружить торпедами и приготовиться к атаке американских кораблей. Он также приказал гидросамолету «Тонэ» поддерживать контакт с американским соединением и выяснить, входят ли в него авианосцы. Авианосец «Сорю» получил приказ поднять один из новых разведчиков D4Y «Джуди», чтобы и дальше сохранить контакт с противником.

В 7.58 самолет «Тонэ» сообщил об изменении курса американцами, а в 8.08 донес: «Неприятель имеет 5 крейсеров и 5 эсминцев». Штаб Нагумо облегченно вздохнул. Теперь можно было спокойно заняться уничтожением авиации Мидуэя и лишь потом переключиться на вражеские корабли. Однако такое намерение просуществовало недолго. В 8.20 разведчик передал: «Неприятельскую колонну замыкает корабль, похожий на авианосец». А еще через 10 минут он радировал: «Еще 2 вражеских крейсера в отдельной группе».

Тем временем продолжались воздушные атаки самолетов с Мидуэя. В 7.55, сразу после сообщения о том, что поблизости находятся американские корабли, 16 пикирующих бомбардировщиков SBD морской пехоты атаковали «Хирю». Пилоты были совсем неопытными, и они вместо атаки с пикирования провели малоэффективную атаку с планирования. Авианосец попаданий не получил, и только 8 «Доунтлессов» спаслись от огромного роя «Зеро». 6 из 8 пикировщиков, вернувшихся на остров, получили тяжелые повреждения и восстановлению не подлежали.

После этого в дело вступили ВВС. В 8.10 появились 15 бомбардировщиков В-17 «Летающая Крепость» и сбросили бомбы на японское соединение с высоты 20000 футов. Летчики уверенно заявили, что добились 4 попаданий в 2 авианосца, но на самом деле все бомбы легли мимо. Японские корабли никаких повреждений не получили.

Когда «Летающие Крепости» уже повернули назад, прибыли 11 пикирующих бомбардировщиков морской пехоты SB2U «Виндикейтор». «Зеро» набросились на них, и те не сумели прорваться к авианосцам. Не выдержав вражеских атак, они поспешно сбросили бомбы на подвернувшийся линкор «Харуна». Некоторые пилоты заявили, что атаковали линкор «Кирисима». Ни один из японских кораблей попаданий не получил, а 4 американских самолета были сбиты.

Как только закончился налет «Виндикейторов», один из эсминцев охранения сообщил, что видит много приближающихся самолетов. Его орудия открыли было огонь, но почти сразу замолчали, так как это были возвращающиеся самолеты первой волны лейтенанта Томонага. И снова адмирал Нагумо оказался в затруднительном положении. Обнаружены вражеские авианосцы, палубы японских авианосцев забиты перевооружаемыми самолетами, а теперь вернулись самолеты с почти пустыми топливными баками, которые нужно было принять как можно быстрее. Нагумо не мог отправить подготовленные самолеты в атаку, так как 36 истребителей, которые должны были сопровождать вторую волну, участвовали в отражении воздушных атак самолетов с Мидуэя. Командир 2-й дивизии авианосцев контр-адмирал Ямагути передал Нагумо: «Считаю желательным выслать ударную группу немедленно». Адмирал Нагумо решил, что риск отправить одни бомбардировщики без истребительного прикрытия слишком велик. В этом его убедило избиение самолетов, которые атаковали его собственные авианосцы. Вскоре после 8.30 полетные палубы японских авианосцев были очищены, и на мачту «Акаги» взвился флажный сигнал: «Начать посадку».

Один за другим садились самолеты первой волны. Часть из них имела повреждения. Один раненный пилот потерял сознание, как только его самолет остановился. Пока садились самолеты, эсминец «Араси» заметил поблизости подводную лодку и атаковал ее глубинными бомбами.

В 9.18 все самолеты первой волны сели. Адмирал Нагумо приказал повернуть на север и дать полный ход, начав подготовку авиагруппы для удара по американским кораблям. Он радировал адмиралу Ямамото и вице-адмиралу Кондо о своих намерениях.

Авианосцы Нагумо шли на север со скоростью 30 узлов, готовя 93 самолета ударной группы к взлету, назначенному на 10.30. В состав группы входили 45 торпедоносцев (18 с «Акаги» и 27 с «Кага»), 36 пикировщиков (по 18 с «Сорю» и «Хирю») и 12 истребителей (по 3 с каждого авианосца). Однако в 9.20 корабли охранения сообщили о приближении американских самолетов. «Зеро» немедленно поднялись в воздух с авианосцев, палубы которых были забиты вооруженными и заправленными самолетами. Приближающиеся самолеты взлетели с американских авианосцев.

Маневрируя к северо-востоку от Мидуэя, американские авианосцы ожидали точных сведений об авианосцах противника, которые, как надеялись, будут обнаружены дальними разведчиками, действующими с атолла. Адмирал Флетчер приказал двум своим авианосцам держать самолеты в готовности к атаке, в то время как самолеты третьего авианосца производили поиск на расстояние 100 миль и осуществляли воздушное прикрытие соединения.

4 июня в 4.30 «Йорктаун» поднял 10 пикировщиков SBD для поиска противника и истребители воздушного патруля. В 5.34 адмирал Флетчер узнал о присутствии японского авианосного соединения из радиограммы патрульной лодки PВY, в которой имелись слова «вражеские авианосцы». Через полчаса другая «Каталина» сообщила, что японские авианосцы находятся в 200 милях к западу от американских. Таким образом, адмиралу Флетчеру стало известно о присутствии вражеских авианосцев раньше, чем аналогичную информацию получил адмирал Нагумо. Эти сведения, а также данные разведки, раскрывшей планы японцев, определили весь ход боя.

Адмирал Нимиц в свое время принял важнейшее решение, немедленно отправив к Мидуэю все имеющиеся силы. Теперь критическое решение предстояло сделать адмиралу Флетчеру. Разведка сообщила, что в операции у Мидуэя будут участвовать 4 или 5 японских авианосцев. «Каталина» увидела только 2 из них. Флетчер не хотел бросать в бой всю свою авиацию, пока не получит более полные сведения о противнике. Кроме того, он хотел дождаться возвращения 10 «Доунтлессов», отправленных для ведения разведки. Адмирал Спрюэнс получил от него приказ повернуть на юго-запад с авианосцами «Энтерпрайз» и «Хорнет» и «атаковать неприятельские авианосцы, когда их место будет точно установлено». Флетчер намеревался последовать за Спрюэнсом, когда примет и заправит свои разведчики.