Första luftangrepp
Vid 09:00 den 3 juni upptäckte ett patrullflygplan från den amerikanska flottan den japanska ockupationsstyrkan 500 nautiska mil (580 miles; 930 kilometer) västsydväst om Midway. Tre timmar senare hittade amerikanerna den japanska transportgruppen 570 nautiska mil (660 miles; 1 060 kilometer) västerut. De attackerade, men ingen av bomberna träffade och inga större skador uppstod. Tidigt följande morgon träffades den japanska oljetankern Akebono Maru av en torped från en angripande PBY. Detta var den enda framgångsrika luftskjutna torpedattacken från USA:s sida under hela slaget.
Klockan 04.30 den 4 juni inledde Nagumo sitt anfall mot Midway. Det bestod av 36 störtbombare och 36 torpedobombare, eskorterade av 36 Mitsubishi Zero jaktplan. Samtidigt inledde han en defensiv stridsflygpatrull. Hans åtta spaningsplan startade 30 minuter för sent.
De japanska spaningsplanerna var dåliga, med för få flygplan för att täcka sökområdena. Yamamotos beslut hade nu blivit ett allvarligt problem.
Samtidigt som Nagumos bombplan och jaktplan lyfte lämnade 11 PBY:s Midway för att söka efter japanska fartyg. De rapporterade att de såg två japanska hangarfartyg med tomma däck, vilket innebar att ett luftangrepp var på väg. Amerikansk radar upptäckte fienden på flera mils avstånd och flygplan skickades iväg för att försvara Midway. Bombplanen gav sig iväg för att attackera den japanska hangarfartygsflottan. Amerikanska jaktplan stannade kvar för att försvara Midway. Klockan 06:20 bombade japanska hangarfartygsflygplan den amerikanska basen och skadade den kraftigt. Midway-baserade marina jaktpiloter, som flög F4Fs och föråldrade F2As, avlyssnade japanerna och hade många förluster. De flesta av de amerikanska planen sköts ner under de första minuterna, flera skadades och endast två kunde flyga. Totalt sköts 3 F4F och 13 F2A ned. Amerikansk luftvärnseld var träffsäker och skadade många japanska flygplan och förstörde fyra.
Av de 108 japanska flygplanen som deltog i attacken förstördes 11, 14 skadades svårt och 29 skadades. Den första japanska attacken förstörde inte Midway: Amerikanska bombplan kunde fortfarande använda flygbasen för att tanka och attackera den japanska invasionsstyrkan. De flesta av Midways landbaserade försvar var intakta. Ytterligare en flygattack för att förstöra Midways försvar skulle bli nödvändig om trupperna skulle kunna gå i land den 7 juni.
Amerikanska bombplan baserade på Midway gjorde flera attacker mot den japanska hangarfartygsflottan. Bland dessa fanns sex Grumman Avengers från Hornets VT-8 (Midway var det första stridsuppdraget för VT-8-flygarna och det var TBF:s första stridsuppdrag), Marine Scout-Bombing Squadron 241 (VMSB-241), som bestod av elva SB2U-3 och sexton SBD, samt fyra USAAF B-26, beväpnade med torpeder, och femton B-17. Japanerna avvärjde dessa attacker. USA förlorade två jaktplan, fem TBF:er, två SB2U:er, åtta SBD:er och två B-26:or.
Efter att ha blivit allvarligt skadad av luftvärnseld dök en B-26 rakt mot Akagi. Planet missade precis hangarfartygets brygga, vilket kunde ha dödat Nagumo och hans befälsstab. Detta kan ha fått Nagumo att bestämma sig för att inleda ett nytt angrepp på Midway, mot Yamamotos order att behålla reservstyrkan för antigående operationer.
Nagumos beslut
Amiral Nagumo hade hållit hälften av sina flygplan i reserv. Dessa var två divisioner med störtbombare och torpedobombare. Klockan 07:15 beordrade Nagumo att hans reservplan skulle ombeväpnas med bomber för användning mot landmål. Klockan 07:40 såg ett spaningsplan från Tone en stor amerikansk flottstyrka i öster. Det verkar som om Nagumo inte fick rapporten förrän kl. 08.00. Nagumo upphävde sin order, men det tog 40 minuter innan Tones spaningsflygplan till slut meddelade via radio att det fanns ett hangarfartyg i den amerikanska styrkan. Detta var ett av hangarfartygen från TF 16. Det andra hangarfartyget siktades inte.
Nagumo var nu osäker på vad han skulle göra. Konteramiral Tamon Yamaguchi rekommenderade att Nagumo skulle slå till med de styrkor som fanns till hands: 18 Aichi D3A dykbombare vardera på Sōryū och Hiryū och hälften av de täckande patrullflygplanen. Nagumos möjlighet att träffa de amerikanska fartygen var dock nu begränsad. Midway-anfallsstyrkan skulle snart återvända och behövde landa eller störta i havet. På grund av den ständiga flygdäcksaktiviteten fick japanerna inte upp sina reservflygplan på flygdäcket för start. De få flygplan som var redo var defensiva jaktflygplan. Det skulle ha tagit minst 30 till 45 minuter att starta upp flygplan. Genom att starta direkt skulle Nagumo använda en del av sin reserv utan ordentliga fartygsbekämpningsvapen. Han hade just sett hur lätt obevakade amerikanska bombplan hade skjutits ned. Dålig disciplin gjorde att många av de japanska bombplanen gjorde sig av med sina bomber och försökte slåss mot avlyssnande F4F:or. Japanska hangarfartygsregler föredrog fullständiga attacker, och eftersom Nagumo inte visste att den amerikanska styrkan innehöll ett hangarfartyg följde hans svar de japanska reglerna. Dessutom fick ankomsten av ytterligare en amerikansk flygattack klockan 07:53 Nagumo att vilja attackera ön igen. Nagumo beslöt att vänta tills hans första attackstyrka landat och sedan skicka iväg reservstyrkan, som då skulle vara beväpnad och redo.
Fletchers hangarfartyg hade startat sina plan från 07:00, så de plan som attackerade Nagumo var redan på väg. Det fanns ingenting som Nagumo kunde göra åt saken. Detta var felet med Yamamotos planer.
Attacker mot den japanska flottan
Amerikanerna hade redan skickat ut sina hangarfartyg mot japanerna. Amiral Fletcher, som förde befälet på Yorktown, och som hade fått rapporter om PBY-observationer tidigt på morgonen, beordrade en attack mot japanerna så snart som möjligt. Han höll Yorktown i reserv ifall andra japanska hangarfartyg skulle upptäckas. (Fletchers instruktioner till Spruance skickades av Nimitz, som hade stannat i land).
Spruance trodde att även om avståndet var långt, kunde en attack lyckas. Han gav order om att inleda anfallet omkring kl. 06.00. Fletcher följde efter att ha avslutat sina egna spaningsflygningar klockan 08:00 från Yorktown.
Amiral Fletcher, som ledde Yorktowns insatsstyrka, tillsammans med kapten Elliott Buckmaster, Yorktowns befälhavare, och deras staber hade erfarenhet av att genomföra ett fullskaligt anfall mot en fientlig styrka i Korallhavet. Men de kunde inte förmedla vad de hade lärt sig till Enterprise och Hornet som fick order om att inleda det första anfallet. Spruance beordrade flygplanen att genast gå till målet, eftersom det var viktigt för hans fartygs säkerhet att förstöra fiendens hangarfartyg. Spruance beslutade att det var viktigare att attackera så snart som möjligt än att samordna attacken med flygplan av olika typer och hastigheter (jaktplan, bombplan och torpedobombplan). Amerikanska skvadroner gick till målet i flera olika grupper. Han hoppades att han skulle hitta Nagumo med sina flygdäck fulla med flygplan.
Amerikanska hangarfartyg hade svårt att lokalisera målet. Anfallet från Hornet, som leddes av kommendörkapten Stanhope C. Ring, flög inte i rätt riktning. Air Group Eights störtbombare missade de japanska hangarfartygen. Torpedoskvadron 8 flög i rätt riktning. De 10 F4F:orna från Hornet hade dock fått slut på bränsle och var tvungna att störta i havet. Waldrons skvadron såg de fientliga hangarfartygen och började attackera kl. 09.20, följt av Torpedoskvadron 6 (VT-6, från Enterprise) vars Wildcat jakteskort också fick ont om bränsle och var tvungna att vända om kl. 09.40. Utan jakteskort sköts alla femton TBD Devastators från VT-8 ned utan att kunna göra någon skada, med fänrik George Gay som enda överlevande. VT-6 förlorade 10 av sina 14 Devastators och 10 av Yorktowns VT-3:s 12 Devastators sköts ner utan att få någon träff. En del av problemet var den dåliga prestandan hos Mark 13-torpederna. Högre officerare inom flottan och Bureau of Ordnance frågade aldrig varför sex torpeder, som släpptes så nära de japanska hangarfartygen, inte gav några träffar. Den japanska flygpatrullen som flög Mitsubishi A6M2 Zeros sköt ner de obevakade, långsamma och underbeväpnade TBD:erna. Några få TBD:er lyckades komma tillräckligt nära för att släppa sina torpeder och skjuta sina kulsprutor mot de fientliga fartygen. Detta fick de japanska hangarfartygen att göra skarpa svängar. TBD Devastator användes aldrig mer i strid.
Trots att de amerikanska torpedattackerna inte fick några träffar gjorde de japanska hangarfartygen oförmögna att förbereda och inleda sina egna attacker. De drog också den japanska flygpatrullen ur position. Dessutom fick många Zeros brist på ammunition och bränsle. Uppkomsten av en tredje torpedplansattack från sydost från Torpedoskvadron 3 (VT-3 från Yorktown) klockan 10:00 fick den japanska CAP att flyga till det sydöstra hörnet av flottan. Bättre disciplin och användning av fler Zeroes för CAP kunde ha gjort det möjligt för Nagumo att förhindra de skador som orsakades av de kommande amerikanska attackerna.
Tre skvadroner av SBD:er från Enterprise och Yorktown (VB-6, VS-6 respektive VB-3) närmade sig från sydväst och nordost. De två skvadronerna från Enterprise höll på att få ont om bränsle på grund av den tid de ägnat åt att leta efter fienden. Skvadronchefen beslutade dock att fortsätta sökandet. Han upptäckte den japanska jagaren Arashi. Den var på väg att återförenas med Nagumos hangarfartyg efter att utan framgång ha djupdykt den amerikanska ubåten Nautilus. Nautilus hade tidigare utan framgång angripit slagskeppet Kirishima. Några bombplan gick förlorade på grund av bränslebrist innan anfallet påbörjades.
McCluskys beslut att fortsätta sökandet var till stor hjälp för den amerikanska hangarfartygsstyrkan och styrkorna vid Midway. Alla de tre amerikanska dykarbomberskvadronerna (VB-6, VS-6 och VB-3) anlände vid rätt tidpunkt för att attackera. De flesta av de japanska CAP:arna letade efter torpedplanen. Beväpnade japanska attackflygplan fyllde hangardäcken, bränsleslangar låg på däcken och bomber och torpeder fanns nära hangarerna, vilket gjorde att de japanska hangarfartygen löpte stor risk att skadas.
Från och med klockan 10.22 delade de två skvadronerna i Enterprises flyggrupp upp sig och attackerade två mål. Av en slump attackerade båda grupperna Kaga. Kommendörkapten Richard Halsey Best och två andra plan gick norrut för att attackera Akagi. Då Kaga blev attackerad av nästan två hela skvadroner träffades Kaga av fyra eller fem bomber, vilket orsakade stora skador och startade bränder som inte kunde släckas. En av bomberna landade nära bron och dödade de flesta av de högre officerarna.
Några minuter senare dök Best och två flygplan ner mot Akagi. Även om Akagi fick en direktträff (som fälldes av kaptenlöjtnant Best). Den träffade däckshissen och gick hela vägen igenom till det övre hangardäcket. Den exploderade bland de beväpnade och tankade flygplanen. En annan bomb exploderade under vattnet vilket böjde flygplansdäcket och orsakade skador på rodret.
Yorktowns VB-3, under ledning av Max Leslie, attackerade Sōryū. De fick minst tre träffar och orsakade stora skador. VT-3 tog sikte på Hiryū men fick inga träffar.
Inom sex minuter brann Sōryū och Kaga. Akagi skadades också allvarligt. Japanerna hoppades att Akagi skulle kunna räddas eller bogseras tillbaka till Japan. Till slut övergavs och sänktes alla tre hangarfartygen till slut.
Japanska motattacker
Hiryū, det enda överlevande japanska hangarfartyget, attackerades. Hiryūs första attack bestod av 18 störtbombare och sex jakteskorter. De följde de retirerande amerikanska flygplanen och attackerade Yorktown och träffade henne med tre bomber, vilket sprängde ett hål i däcket, släckte hennes pannor och förstörde flera luftvärnskanoner. Trots skadorna kunde reparationsteam reparera flygdäcket och laga flera pannor på en timme. Tolv japanska störtbombare och fyra eskorterande jaktplan gick förlorade i denna attack.
Ungefär en timme senare genomförde Hiryū sin andra attack. Det bestod av tio torpedobombplan och sex eskorterande A6M:s. USA:s reparationsarbete hade varit så väl utfört att japanerna antog att hon måste vara ett annat, oskadat hangarfartyg. I attacken träffades Yorktown av två torpeder; hon förlorade all kraft och utvecklade en lutning åt babord, vilket satte henne ur spel. Amiral Fletcher flyttade sin kommandostab till den tunga kryssaren Astoria. Inget av hangarfartygen i Spruances Task Force 16 skadades.
Nyheten om de två attackerna, med rapporterna om att vart och ett av dem hade sänkt ett amerikanskt hangarfartyg (Yorktown i båda fallen), förbättrade avsevärt moralen i Kido Butai. Dess få överlevande flygplan återfanns alla ombord på Hiryū där de förbereddes för en attack mot vad man trodde var det enda kvarvarande amerikanska hangarfartyget.
Amerikanskt motangrepp
Sent på eftermiddagen lokaliserade ett spaningsflygplan från Yorktown Hiryū. Enterprise inledde ett anfall av störtbombare (inklusive 10 SBD:er från Yorktown). Trots att Hiryū försvarades av mer än ett dussintal Zero jaktplan var Enterprise attack framgångsrik: fyra, möjligen fem bomber träffade Hiryū, vilket gjorde att hon brann och inte kunde använda flygplan. (Hornet's attack riktade sig mot eskortfartygen men fick inga träffar.) Efter hopplösa försök att kontrollera elden fördes de flesta av den besättning som fanns kvar på Hiryū av fartyget. Resten av flottan fortsatte att segla mot nordost för att fånga de amerikanska hangarfartygen. Hiryū höll sig flytande i ytterligare flera timmar. Hon upptäcktes av ett flygplan från det lätta hangarfartyget Hōshō. Detta ledde till förhoppningar om att hon skulle kunna räddas eller bogseras tillbaka till Japan. Kort efter att ha blivit upptäckt sjönk dock Hiryū. Konteramiral Yamaguchi valde att sjunka med sitt fartyg, vilket kostade Japan hennes bästa hangarfartygsofficer.
När mörkret föll tänkte båda sidor på situationen och gjorde upp planer för hur de skulle agera. Amiral Fletcher var tvungen att överge Yorktown. Han ansåg att han inte kunde befalla från en kryssare. Han gav befälet till Spruance. Spruance visste att USA hade vunnit en stor seger, men han var fortfarande osäker på vilka japanska styrkor som fanns kvar. Han ville skydda Midway och sina hangarfartyg. Han följde Nagumo under dagen och fortsatte att följa honom när natten föll. Till slut drog sig Spruance tillbaka österut, eftersom han fruktade en eventuell nattlig strid med japanska fartyg och trodde att Yamamoto fortfarande hade för avsikt att invadera. Han vände tillbaka västerut mot fienden vid midnatt. Yamamoto beslutade att fortsätta attackerna och skickade sina återstående fartyg för att söka österut efter de amerikanska hangarfartygen. Han skickade också en kryssarstyrka för att bomba ön. De japanska fartygen lyckades inte få kontakt med amerikanerna på grund av Spruances beslut att dra sig tillbaka österut, och Yamamoto beordrade ett tillbakadragande västerut.
Spruance lyckades inte återfå kontakt med Yamamotos styrkor den 5 juni trots att han gjorde många sökningar. Mot slutet av dagen inledde han ett angrepp mot alla fartyg från Nagumos hangarfartygsstyrka. Detta angrepp missade Yamamotos huvudgrupp av fartyg. Den träffade inte en japansk destroyer. Anfallsplanerna återvände till hangarfartygen efter mörkrets inbrott. Spruance beordrade Enterprise och Hornet att tända sina lampor för att underlätta landstigningen.
Klockan 02:15 natten mellan den 5 och 6 juni gjorde kommendörkapten John Murphys Tambor, som befann sig i vattnet 90 nautiska mil (100 miles; 170 kilometer) väster om Midway, det andra av ubåtsstyrkans viktigaste bidrag till slagets utgång. Murphy och hans befälhavare Ray Spruance Jr. fick syn på flera fartyg, men varken Murphy eller hans befälhavare Ray Spruance Jr. kunde identifiera dem. Eftersom Murphy trodde att det kunde vara amerikanska fartyg sköt han inte, utan rapporterade fartygen till amiral Robert English, befälhavare för ubåtsstyrkan vid Stillahavsflottan (COMSUBPAC). Denna rapport skickades till Nimitz, som sedan skickade den till Spruance. Spruance antog att detta var invasionsstyrkan och flyttade för att blockera den samtidigt som han höll sig 100 nautiska mil (120 miles; 190 kilometer) nordost om Midway.
De fartyg som Tambor såg var de fyra kryssare och två jagare som Yamamoto hade skickat för att bomba Midway. Klockan 02:55 fick dessa fartyg Yamamotos order att dra sig tillbaka och ändrade kurs. Ungefär samtidigt med kursändringen siktades Tambor, och för att undvika en ubåtsattack körde Mogami och Mikuma in i varandra, vilket orsakade allvarliga skador på Mogamis fören. Den mindre allvarligt skadade Mikuma saktade ner till 12 knop (22 kilometer i timmen; 14 miles i timmen). Detta var den största skadan som någon av de 18 ubåtar som sattes in i slaget fick. Först kl. 04.12 klarnade himlen tillräckligt mycket för att Murphy skulle kunna vara säker på att fartygen var japanska, men då var det farligt att hålla sig upp till ytan och han dök för att närma sig för en attack. Anfallet misslyckades, och runt 06:00 rapporterade han slutligen två västgående kryssare av Mogami klassen.
Under de följande två dagarna inledde först Midway och sedan Spruances hangarfartyg flera attacker. Mikuma sänktes av Dauntlesses, medan Mogami överlevde skadorna och återvände hem för reparation. Destrojarna Arashio och Asashio bombades och maskinsköts också under den sista av dessa attacker.
Yorktown bogserades av USS Vireo. Sent på eftermiddagen den 6 juni avfyrade dock I-168 torpeder; två träffade Yorktown, men en tredje träffade och sänkte förstöraren USS Hammann, som hade försett Yorktown med ström. Hammann bröts i två med 80 dödsoffer som följd. Yorktown sjönk strax efter klockan 05.00 den 7 juni.