日本為中途島這一主力戰，動用：(1)一支先遣潛艇隊，在三條警戒線上巡邏，旨在削弱美國海軍的對抗手段；(2)近藤海軍大將指揮的一支入侵軍，計十二艘有護航的運輸艦，載有五千名士兵，另有四艘重型巡洋艦在附近接應，還有兩艘戰列艦、一艘輕型航空母艦和四艘重型巡洋艦組成的一支艦隊在較遠處掩護；(3)南雲指揮的第一航空母艦艦隊，由四艘艦隊航空母艦組成，載有二百五十多架飛機，有兩艘戰列艦、兩艘重型巡洋艦和一支驅逐艦屏護部隊護送；(4)山本指揮的主力艦隊，計有三艘戰列艦，加上一支驅逐艦屏護部隊，還有一艘輕型航空母艦。戰列艦中有一艘是最近建造的七萬噸級巨艦「大和號」，裝有九門十八英寸大炮。
日軍為阿留申群島一戰調配：(1)一支入侵軍，由三艘有護航的運輸艦組成，載有二千四百名士兵，外加兩艘重型巡洋艦組成的火力支援艦群；(2)一支兩艘輕型航空母艦組成的航空母艦艦隊；(3)一支四艘舊戰列艦組成的掩護部隊。
這一戰規定在阿留申群島展開，6月3日先向荷蘭港空襲，6日再分三處登陸。與此同時，南雲的航空母艦飛機要在4日襲擊中途島機場，次日佔領六十英裡以西的庫雷環礁，以作水上飛機的基地。6日，巡洋艦炮轟中途島，然後部隊登陸，這次入侵由近藤的戰列艦掩護。
日軍料想，在登陸之前，中途島地區不會有美國軍艦，他們希望，美國太平洋艦隊一聽到空襲阿留申群島的消息，便會向北趕去。這樣他們就能使美國太平洋艦隊陷入他們兩支航空母艦艦隊的夾攻之中。但在追求摧毀美國航空母艦這一戰略目標時，日軍卻受戰術部署的牽制而處於不利地位。
6月初月光好，山本不願等到「瑞鶴號」補充了珊瑚海上損失的飛機，可以增援其他航空母艦之後再動手。至於那八艘可動用的航空母艦，兩艘已派往阿留申群島，另外兩艘正伴隨著戰列艦特混群。另一方面，艦隊的行動受到慢速度運兵船的牽制。再者，如果日本的主要目標是摧毀美國航空母艦，而不僅僅是佔領中途島，那就很難理解分兵去阿留申群島的必要性。最糟糕的是，日本自找麻煩，竟然在一個固定的時間去佔領一個固定的地點，這樣就喪失了戰略上的靈活性。
在美國方面，尼米茲海軍上將主要憂慮的是，日本兵力佔上風。自從珍珠港罹災以來，他手裡已經不剩戰列艦，而在珊瑚海海戰之後，可投入作戰的航空母艦隻有「企業號」和「大黃蜂號」兩艘。但是經過一番驚人的努力，原來估計要九十天才能修好的「約克敦號」在兩天之內就已修復，這樣航空母艦就增加到三艘。
尼米茲有一大有利條件可以彌補不足，那就是，他在獲取情報的方法和情報的供應方面都佔優勢。那三艘美國航空母艦及其二百三十三架飛機停泊處正好在中途島以北，既不會被日本偵察機發現，而又能依靠以中途島為基地的卡塔林納式遠程飛機及早獲知日軍動態。所以他們希望從翼側進攻日軍艦隊。6月3日，就是那三艘航空母艦進駐陣地後一天，偵察機發現日本運輸艦在中途島以西六百英裡的地方緩慢前進。日機搜索飛行式中的空隙，使美國航空母艦能夠不被覺察地從東北靠近。其所以能如此，也是多虧山本和南雲都認為美國太平洋艦隊不會在海上 。
6月4日清晨，南雲派出一百零八架飛機襲擊中途島；另一批同樣數量的飛機正準備去空襲發現到的美國軍艦。第一批日機使中途島上的設施受到嚴重破壞，日機損失很小，但是報告南雲說，還需要第二次空襲。由於他自己的航空母艦正遭到來自中途島的飛機轟炸，他認為還需要摧毀島上的機場，所以命令第二批飛機不用魚雷而改用炸彈炸毀機場，因為還沒有發現美國航空母艦的蹤跡。
不久後，據報告說，大約在二百英裡外有一群美國艦艇，雖然開頭認為只是些巡洋艦和驅逐艦。可是，8時20分傳來較準確的報告，說這群艦艇中還有一艘航空母艦。對南雲來說，這是個尷尬時刻，因為當時他的魚雷轟炸機已大都裝上炸彈，而他的戰鬥機大都在巡邏。他還得檢修 第一批空襲中途島返航的飛機。
雖然如此，南雲一得到消息就改向東北航行，這樣他才逃脫美國航空母艦派出的第一批俯衝轟炸機的襲擊。一連三批速度較慢的飛機——魚雷轟炸機，在9時30分至10時24分之間襲擊日本航空母艦時，動用的四十一架飛機中有三十五架被日本戰鬥機或高射炮擊落。當時日軍還以為已經打贏這一仗。
但是，兩分鐘後，克拉倫斯·麥克拉斯基海軍少校(指揮的「企業號」飛出三十七架美國俯衝轟炸機，從一萬九千英尺高空飛撲下來；如此出其不意，以致沒有遇到任何抵抗。剛剛打落第三批美國魚雷轟炸機的日本戰鬥機都來不及上升回擊。南雲的旗艦、航空母艦「赤城號」中了炸彈，正在換裝射彈的飛機被炸中，引起許多魚雷爆炸，船員只得棄艦。航空母艦「加賀號」中了炸彈，駕駛臺被炸毀，全艦起火，到晚間終於沉沒。航空母艦「蒼龍號」連中三次半噸重炸彈，都是當時已到場的「約克敦號」的俯衝轟炸機投下的，不出二十分鐘就被離棄。
唯有艦隊航空母艦「飛龍號」仍舊安然無恙，在下午向「約克敦號」回擊，「約克敦號」在珊瑚海戰中受傷，經過倉卒修理而未復元，這次被打得遍體鱗傷，只得離棄。但是，二十四架美國俯衝轟炸機，包括「約克敦號」上的十架，在傍晚時趕上「飛龍號」，「飛龍號」受重創，在5日凌晨被迫離棄，到上午九時沉沒。
6月4日這一戰是海軍史上成敗瞬息萬變的一戰，而且也表明，以遠程海空行動展開的新式戰爭是「勝負莫測」的。
山本海軍大將一聽到他手下的航空母艦艦隊遭到慘敗的消息，首先就是集合他的戰列艦，同時還從阿留申群島調回兩艘輕型航空母艦——他仍舊希望再打一場老式海戰來挽回頹勢。但是，後來又得到「飛龍號」損失的消息和南雲的悲觀報告，他就改變了主意。5日清晨，山本決定停攻中途島。他仍舊希望向西撤退，俾使美軍陷入圈套，可是，在這場決戰中指揮「企業號」和「大黃蜂號」這兩艘美國航空母艦的雷蒙·斯普魯恩斯海軍上將，他既大膽又心細，兩者配合得恰到好處，終於使山本的希望落空。
日本一旦失去那四艘艦隊航空母艦和訓練有素的空軍人員，在戰列艦和巡洋艦方面雖仍佔優勢，但也無足輕重。那些軍艦隻敢開到其岸基飛機能掩護的地區，而日本長期爭奪瓜達爾卡納爾島所以遭到失敗，主要是因為缺乏制空權。中途島之戰給予美軍一個非常寶貴的喘息時間，直到那年年底新的「埃塞克斯號」級艦隊航空母艦開始服役為止。因而可以據理斷言，中途島之戰是導致日本最後滅亡的轉折點。