Итак, в 18 часов 3 июня после первой атаки с воздуха на японский конвой оба американских соединения находились в 300 милях к ENE от Мидуэя и примерно в 400 милях к востоку (и чуть южнее) от идущих 25- узловой скоростью авианосцев Нагумо. Флетчер в 19⁵⁰ повернул на курс 210°, чтобы к рассвету занять позицию в 200 милях к северу от атолла. Следовало не обнаружить себя до того момента, пока японские самолеты начнут атаку на укрепления атолла. Он доверял данным разведки, что Нагумо приблизится к Мидуэю с NW и что нанесет удар на рассвете 4 июня.

Нагумо так и сделал. В 05³⁴ на борту «Энтерпрайза» перехватили радиограмму, переданную одной из патрульных «каталин» на Мидуэй: «Авианосцы противника». Через 11 минут она же передала открытым текстом: «Много вражеских самолетов идет к Мидуэю, пеленг 320°, дистанция 180 миль, курс 135°, скорость 250». Сообщенная позиция находилась в 200 милях к WSW от 16- го оперативного соединения. В 06⁰⁷ Флетчер приказал Спрюэнсу «проследовать на юго-запад и атаковать противника после его обнаружения». Сам же собирался последовать за ним после посадки своих разведчиков, посланных в поиск.

Послав для атаки Мидуэя 108 самолетов, Нагумо оставил на авианосцах еще 93, вооруженных для атаки американских кораблей, которые могли появиться в любую минуту. Для их обнаружения между 04³⁵ и 04⁴² с катапульт крейсера «Тикума» и двух линкоров стартовали 3 гидросамолета. Четвертый самолет с «Тоне» по техническим причинам задержался с вылетом на полчаса, и эта задержка, по сути, решила исход сражения. В течение двух часов эти разведчики не обнаружили ничего, зато около 7 часов на флагманском «Акаги» получили радиограмму от ведущего первой волны лейтенанта Томонага: “Необходима вторая атака”. Самолетов на атолле не оказалось (все они заблаговременно вылетели Для атаки японского соединения), но рано или поздно они должны были вернуться. На перевооружение ударных самолетов для действия по береговым объектам требовалось около часа напряженной работы. Их опустили в ангары, поскольку палубы следовало освободить для посадки первой волны. И здесь, в 07²⁸ пришло неожиданное сообщение от гидросамолета с «Тоне», возвращавшегося назад: “десять надводных кораблей противника по пеленгу 10°, дистанция 240 миль от Мидуэя. Курс 150°, скорость более 20 узлов”. Поскольку в сообщении ничего не говорилось об авианосцах, Нагумо решил ничего не менять и заняться столь незначительной целью потом - когда появится время. Но через 15 минут после совещания со штабом Нагумо изменил свое решение и отдал приказ всем авианосцам: “Приготовиться атаковать вражеское соединение. Оставить торпеды на тех самолетах, где их еще не успели заменить на бомбы". Затем он радировал гидросамолету с «Тоне»: «Определите класс кораблей, с которыми поддерживаете контакт». Пилот ответил в 08⁰⁹: “У противника пять крейсеров и пять эсминцев”. Но через 11 минут последовало: “Противника сопровождает корабль, похожий на авианосец”. Что и говорить, немногословный парень был этот пилот! А обнаружил он соединение Флетчера с авианосцем «Йорктаун».

Все это время соединение Нагумо отражало атаки самолетов с Мидуэя, которые следовали одна за другой. Японские корабли повреждений не получили, а многие американские бомбардировщики и торпедоносцы были сбиты истребителями патруля и зенитками. В 08³⁷ авианосцы начали прием самолетов первой волны, которые быстро опускались в ангары для заправки топливом и подвески вооружения. В 09⁰⁵ Нагумо приказал соединению круто повернуть влево на 90° - на курс ENE, оповестив корабли: “Мы планируем найти и уничтожить вражеское оперативное соединение”. Через 12 минут все самолеты были приняты и соединение легло на новый курс.

Этот резкий отворот привел к тому, что часть американских самолетов, искавших его на прежнем юго- восточном курсе, не смогла выйти на цель. 35 пикировщиков с «Хорнета» и 12 истребителей прикрытия, не обнаружив противника на расчетном курсе, повернули на юг. Тринадцать “донтлессов” сели на Мидуэе, два упали в его лагуну, а все 12 истребителей, исчерпав горючее, сели на воду. Первыми из палубных самолетов в атаку на соединение Нагумо вышли торпедоносцы с «Хорнета», но все 15 были сбиты, так и не добившись попаданий. Уклоняясь от них японцы повернули на NE. В 9³⁰ их корабли заметили 14 торпедоносцев с «Энтерпрайза», которые выбрали своей целью авианосец «Кага». Но их постигла почти та же участь: 10 сбитых и ни одного попадания. Примерно в 10 часов появились 12 торпедоносцев с «Йортауна», которые атаковали «Сорю». Но японцы были как заговоренные: снова ноль попаданий и 10 сбитых “девастейторов”. Атаки торпедоносцев, уклоняясь от которых, корабли Нагумо склонились к северу, сыграли все же свою роль, поскольку отвлекли внимание зенитчиков и, главное, истребителей патруля, с больших высот. А именно оттуда примерно в 10¹⁶ градом посыпались десятки “донтлессов”, остановить которых уже не могло ничто.

Как и подобает опытному командиру авиагруппы, капитан 3 ранга (лейтенант-коммандер) Кларенс Макклуски, ведущий 37 пикировщиков с «Энтерпрайза» (разведывательную эскадрилью VS-6 лейтенанта Галлахера и бомбардировочную VB-6 лейтенанта Беста) без всякого истребительного прикрытия, не растерялся, когда в расчетном месте не обнаружил противника. Он повел свою группу на NW и в 9⁵⁵ заметил идущий курсом NE эсминец. Правильно рассчитав, что этот корабль выведет его на авианосцы, Макклуски повернул под прямым углом вправо и вскоре оказался над кораблями главных сил Нагумо. Самолеты эскадрильи Галлахера несли только 227-кг бомбы, поскольку взлетали первыми и имели для разбега только половину полетной палубы (кормовая часть «Энтерпрайза» была занята самолетами, которые стартовали позже). Самолеты же Беста несли свою нормальную нагрузку - 454-кг бомбы. Макклуски повел разведывательную эскадрилью в 70- градусное пике на «Кага», приказав Бесту заняться соседним «Акаги». Но часть самолетов последнего также атаковала «Кага», так что на долю каждого авианосца пришлось достаточное количество 454-кг бомб. На обоих палубы были забиты заправляющимися и перевооружающимися самолетами, всюду лежали бомбы, торпеды, топливные шланги и цистерны. В 10 минут для Нагумо все было кончено. «Акаги» получил 2 бомбы, «Кага» - 4, а практически одновременно атакованный 17 бомбардировщиками капитана 3 ранга Лесли с «Йорктауна» «Сорю» - 3. Все три авианосца были охвачены пожарами и к концу дня затонули. Вице-адмирал Нагумо перенес свой флаг на крейсер «Нагара».

Оставшийся авианосец «Хирю», благодаря цепкости гидросамолета с «Тоне», который преследовал соединение Флетчера, постоянно радируя его координаты, сумел отомстить, двумя последовательными атаками повредив «Йорктаун» 3 бомбами и 2 торпедами (в левый борт). Пылающий корабль с заклиненным рулем и 26-градусным креном был оставлен экипажем, а его самолеты стали садиться на «Энтерпрайз» и «Хорнет».

Но это уже ничего не могло изменить. Американские разведчики намертво вцепились в «Хирю», который в окружении двух линкоров, 3 крейсеров и 4 эсминцев пытался уйти на север. В 15³⁰ с палубы «Энтерпрайза» взлетели 24 «донтлесса», 10 из которых были «беженцами» с «Йорктауна». Это оказались те самые самолеты, что утром потопили 3 авианосца. Никаких истребителей сопровождения не было, так как немногие оставшиеся были нужны для патруля. Поймавшие удачу, летчики пикировщиков около 17 часов сумели положить в идущий 30-узловой скоростью в охранении «Тоне» и «Тикума» авианосец «Хирю» 4 бомбы, потеряв от зенитного огня 3 машины. В 03¹⁵ 5 июня горящий авианосец был оставлен экипажем. На эсминцы сопровождения свезли портрет императора, но командир «Хирю» капитан 1 ранга Каку и командующий 2-й дивизией авианосцев контр-адмирал Ямагучи, которого считали преемником Ямамото, остались, чтобы погибнуть вместе с кораблем. В 05¹⁰ два эсминца выпустили по последнему авианосцу Нагумо торпеды, но только в 9 часов он пошел на дно.