Počáteční letecké útoky
Kolem 9:00 3. června spatřilo hlídkové letadlo amerického námořnictva japonské okupační síly 500 námořních mil (580 mil; 930 km) západojihozápadně od Midway. O tři hodiny později našli Američané japonskou dopravní skupinu 570 námořních mil (660 mil; 1060 kilometrů) západně. Zaútočili, ale žádná z bomb nezasáhla a nedošlo k žádným větším škodám. Brzy ráno následujícího dne byl japonský ropný tanker Akebono Maru zasažen torpédem z útočícího PBY. Jednalo se o jediný úspěšný torpédový útok ze vzduchu, který USA během celé bitvy provedly.
Ve 4:30 4. června Nagumo zahájil útok na Midway. Skládal se z 36 střemhlavých bombardérů 36 torpédových bombardérů, doprovázených 36 stíhačkami Mitsubishi Zero. Současně zahájil obrannou bojovou leteckou hlídku. Jeho osm pátracích letounů odstartovalo s 30minutovým zpožděním.
Japonské průzkumné plány byly špatné, protože na pokrytí pátracích oblastí bylo příliš málo letadel. Jamamotova rozhodnutí se nyní stala vážným problémem.
Zatímco Nagumovy bombardéry a stíhačky vzlétaly, 11 PBY odlétalo z Midwaye pátrat po japonských lodích. Hlásily, že spatřily dvě japonské letadlové lodě s prázdnými palubami, což znamenalo, že se chystá letecký útok. Americký radar zachytil nepřítele na vzdálenost několika mil a letadla byla vyslána na obranu Midwaye. Bombardéry zamířily k útoku na flotilu japonských letadlových lodí. Americké stíhačky zůstaly vzadu, aby bránily Midway. V 06:20 japonská letadlová loď bombardovala a těžce poškodila americkou základnu. Piloti stíhaček námořní pěchoty na Midwayi, létající na letounech F4F a zastaralých F2A, Japonce zachytili a měli mnoho ztrát. Většina amerických letadel byla sestřelena v prvních minutách; několik jich bylo poškozeno a pouze dvě mohla vzlétnout. Celkem byly sestřeleny 3 F4F a 13 F2A. Americká protiletadlová palba byla přesná, poškodila mnoho japonských letadel a čtyři zničila.
Ze 108 japonských letadel, která se tohoto útoku zúčastnila, bylo 11 zničeno, 14 těžce poškozeno a 29 poškozeno. Počáteční japonský útok Midway nezničil: Americké bombardéry mohly stále využívat leteckou základnu k doplňování paliva a útokům na japonské invazní síly. Většina pozemní obrany Midwaye byla neporušena. Další letecký útok, který by zničil obranu Midwaye, by byl nezbytný, pokud by vojska mohla vystoupit na břeh do 7. června.
Americké bombardéry na Midwayi několikrát zaútočily na japonskou letadlovou flotilu. Patřilo k nim šest Grummanů Avenger z VT-8 Hornet (Midway byla první bojovou misí letců VT-8 a byla to první bojová mise TBF), 241. průzkumná bombardovací peruť námořní pěchoty (VMSB-241), kterou tvořilo jedenáct SB2U-3 a šestnáct SBD, plus čtyři B-26 USAAF vyzbrojené torpédy a patnáct B-17. Japonci tyto útoky odrazili. USA přišly o dvě stíhačky, pět TBF, dvě SB2U, osm SBD a dva B-26.
Jeden B-26, poté co byl vážně poškozen protiletadlovou palbou, se stočil přímo k Akagi. Letadlo těsně minulo můstek letadlové lodi, což mohlo Naguma a jeho velící personál zabít. To mohlo Naguma přimět k rozhodnutí zahájit další útok na Midway, navzdory Jamamotovu rozkazu ponechat si záložní síly pro protilodní operace.
Nagumovo rozhodnutí
Admirál Nagumo si nechal polovinu svých letadel v záloze. Jednalo se o dvě letky střemhlavých bombardérů a torpédových bombardérů. V 07:15 Nagumo nařídil, aby jeho záložní letouny byly znovu vyzbrojeny pumami pro použití proti pozemním cílům. V 07:40 průzkumné letadlo z Tone spatřilo na východě velké americké námořní síly. Zdá se, že Nagumo obdržel hlášení až v 08:00. Nagumo svůj rozkaz odvolal, ale trvalo 40 minut, než Toneho průzkumník konečně rádiem oznámil, že v amerických silách je letadlová loď. Jednalo se o jednu z letadlových lodí z TF 16; druhá letadlová loď nebyla spatřena.
Nagumo teď nevěděl, co má dělat. Kontradmirál Tamon Jamaguči doporučil, aby Nagumo udeřil s dostupnými silami: 18 střemhlavých bombardérů Aiči D3A na Sōryū a Hiryū a polovina krycích hlídkových letounů. Nagumova možnost zasáhnout americké lodě však byla nyní omezená. Úderné síly z Midwaye se měly brzy vrátit a potřebovaly přistát nebo se zřítit do moře. Kvůli neustálé aktivitě na letové palubě Japonci nedostali své záložní letouny na letovou palubu ke startu. Těch několik málo letadel, která byla připravena, byly obranné stíhací letouny. Vypuštění letounů by si vyžádalo nejméně 30 až 45 minut. Okamžitým vypuštěním by Nagumo použil část své rezervy bez řádných protilodních zbraní. Právě viděl, jak snadno byly sestřelovány americké bombardéry bez doprovodu. Špatná disciplína způsobila, že se mnoho japonských bombardérů zbavilo svých pum a pokusilo se bojovat se zachycujícími F4F. Japonská pravidla pro letadlové lodě upřednostňovala plné údery, a protože Nagumo nevěděl, že součástí amerických sil je i letadlová loď, jeho reakce se řídila japonskými pravidly. Navíc přílet dalšího amerického náletu v 07:53 přiměl Naguma k tomu, aby na ostrov zaútočil znovu. Nagumo se rozhodl počkat, až přistane jeho první úderná síla, a pak spustit záložní, která by v té době již byla vyzbrojena a připravena.
Fletcherovy letadlové lodě vypustily svá letadla od 7:00, takže letadla, která zaútočila na Nagumo, již byla na cestě. Nagumo s tím nemohl nic dělat. To byla chyba Jamamotových plánů.
Útoky na japonské loďstvo
Američané již proti Japoncům vypustili své letadlové lodě. Admirál Fletcher, který velel na palubě Yorktownu a který měl od časného rána zprávy o pozorování PBY, nařídil co nejdříve zaútočit na Japonce. Yorktown držel v záloze pro případ, že by se objevily další japonské letadlové lodě. (Fletcherovy pokyny Spruanceovi poslal Nimitz, který zůstal na břehu.)
Spruance se domníval, že i když je vzdálenost velká, útok by mohl být úspěšný. Rozkaz k útoku vydal kolem 06:00. Fletcher ho po dokončení vlastních průzkumných letů následoval v 08:00 z Yorktownu.
Admirál Fletcher, velitel operační skupiny Yorktown, spolu s kapitánem Elliottem Buckmasterem, velitelem Yorktownu, a jejich štáby měli zkušenosti s plným úderem na nepřátelské síly v Korálovém moři. Nemohli však předat to, co se naučili, Enterprise a Hornetu, které dostaly rozkaz provést první úder. Spruance nařídil, aby letouny ihned vyrazily k cíli, protože zničení nepřátelských letadlových lodí bylo důležité pro bezpečnost jeho lodí. Spruance rozhodl, že je důležitější zaútočit co nejdříve, než koordinovat útok letadel různých typů a rychlostí (stíhaček, bombardérů a torpédových bombardérů). Americké letky vyrazily k cíli v několika různých skupinách. Doufal, že najde Naguma s letovými palubami plnými letadel.
Americká letadla měla potíže s lokalizací cíle. Úder z Hornetu, vedený velitelem Stanhope C. Ringem, neletěl správným směrem. Střemhlavé bombardéry letecké skupiny Eight japonské letadlové lodě minuly. [Stránka potřebná] Torpédová eskadra 8 letěla správným směrem. Deseti letounům F4F z Hornetu však došlo palivo a musely se zřítit do oceánu. Waldronova eskadra spatřila nepřátelské letadlové lodě a začala útočit v 09:20, následována Torpédovou eskadrou 6 (VT-6, z Enterprise), jejíž doprovodné stíhačky Wildcat rovněž vyčerpaly palivo a musely se v 09:40 otočit. Bez stíhacího doprovodu bylo všech patnáct TBD Devastatorů VT-8 sestřeleno, aniž by mohly způsobit nějaké škody, přičemž jediný přeživší byl praporčík George Gay. VT-6 ztratila 10 ze svých 14 Devastatorů a 10 z 12 Devastatorů VT-3 z Yorktownu bylo sestřeleno bez zásahu. Součástí problému byl špatný výkon torpéd Mark 13. Vyšší důstojníci námořnictva a Úřadu pro výzbroj a výstroj se nikdy neptali, proč šest torpéd, vypuštěných tak blízko japonských letadlových lodí, nepřineslo žádný zásah. Japonská bojová letecká hlídka, létající na Mitsubishi A6M2 Zeros, sestřelila nesledované, pomalé a nedostatečně vyzbrojené TBD. Několika TBD se podařilo přiblížit natolik, že mohly odhodit torpéda a střílet ze svých kulometů na nepřátelské lodě. To přimělo japonské letadlové lodě k ostrým obratům. TBD Devastator již nikdy nebyl použit v boji.
Přestože se jim nepodařilo dosáhnout žádného zásahu, americké torpédové útoky znemožnily japonským letadlovým lodím připravit se a zahájit vlastní úder. Rovněž vyvedly z pozic japonskou bojovou leteckou hlídku (CAP). Také mnoha Zerům došla munice a palivo. Objevení třetího útoku torpédových letounů z jihovýchodu od Torpédové eskadry 3 (VT-3 z Yorktownu) v 10:00 přimělo japonskou CAP k přeletu do jihovýchodního rohu flotily. Lepší disciplína a použití většího počtu Zer pro CAP mohlo Nagumovi umožnit zabránit škodám způsobeným nadcházejícími americkými útoky.
Tři eskadry SBD z Enterprise a Yorktownu (VB-6, VS-6 a VB-3) se blížily od jihozápadu a severovýchodu. Dvěma eskadrám z Enterprise docházelo palivo kvůli času strávenému hledáním nepřítele. Velitel letky se však rozhodl pokračovat v pátrání. Spatřil japonský torpédoborec Araši. Ten se přesouval, aby se připojil k Nagumovým letadlovým lodím poté, co neúspěšně provedl hlubinnou zkoušku americké ponorky Nautilus. Nautilus předtím neúspěšně zaútočil na bitevní loď Kirišima. Některé bombardéry byly ztraceny kvůli nedostatku paliva ještě před zahájením útoku.
McCluskyho rozhodnutí pokračovat v pátrání bylo velkou pomocí pro operační skupinu amerických letadlových lodí a jednotky na Midwayi. Všechny tři americké střemhlavé bombardovací letky (VB-6, VS-6 a VB-3) dorazily v pravý čas k útoku. Většinu japonských CAP hledaly torpédové letouny. Ozbrojené japonské úderné letouny zaplnily hangárové paluby, palivové hadice ležely na palubách a bomby a torpéda byly v blízkosti hangárů, takže japonským letadlovým lodím velmi hrozilo poškození.
Od 10:22 se dvě letky letecké skupiny Enterprise rozdělily a zaútočily na dva cíle. Náhodou obě skupiny zaútočily na Kagu. Nadporučík Richard Halsey Best a dvě další letadla zamířili na sever, aby zaútočili na Akagi. Při útoku téměř dvou plných letek byla Kaga zasažena čtyřmi nebo pěti pumami, které způsobily těžké škody a začaly hořet, které se nepodařilo uhasit. Jedna z bomb dopadla poblíž mostu a zabila většinu vyšších důstojníků.
O několik minut později se Best a dvě letadla vrhli na Akagi. Akagi sice dostala jeden přímý zásah (svržený nadporučíkem Bestem). Zasáhl palubní výtah a prošel až na horní hangárovou palubu. Vybuchla mezi vyzbrojenými a natankovanými letadly. Další bomba explodovala pod vodou, což ohnulo letovou palubu a způsobilo poškození kormidel.
Loď VB-3 z Yorktownu, které velel Max Leslie, zaútočila na Sōryū. Dostaly nejméně tři zásahy a způsobily velké škody. VT-3 se zaměřila na Hirjú, ale nedostala žádný zásah.
Během šesti minut se Sōryū a Kaga ocitli v plamenech. Vážně poškozena byla také Akagi. Japonci doufali, že se Akagi podaří zachránit nebo odtáhnout zpět do Japonska. Nakonec byly všechny tři letadlové lodě opuštěny a potopeny.
Japonské protiútoky
Hiryū, jediná přeživší japonská letadlová loď, byla napadena. První útok na Hirjú sestával z 18 střemhlavých bombardérů a šesti doprovodných stíhaček. Následovaly ustupující americká letadla a zaútočily na Yorktown, zasáhly jej třemi pumami, které udělaly díru do paluby, vyřadily kotle a zničily několik protiletadlových děl. Navzdory poškození dokázaly opravářské týmy během hodiny opravit letovou palubu a opravit několik kotlů. Při tomto útoku bylo ztraceno dvanáct japonských střemhlavých bombardérů a čtyři doprovodné stíhačky.
Přibližně o hodinu později byl proveden druhý útok Hirjú. Skládal se z deseti torpédových bombardérů a šesti doprovodných A6M. Americké opravárenské úsilí bylo tak dobře provedeno, že Japonci předpokládali, že se musí jednat o jinou, nepoškozenou letadlovou loď. Při útoku byl Yorktown zasažen dvěma torpédy; ztratil veškerý výkon a došlo k jeho naklonění na levobok, což ho vyřadilo z provozu. Admirál Fletcher přesunul svůj velitelský štáb na těžký křižník Astoria. Ani jedna z letadlových lodí Spruanceovy operační skupiny 16 nebyla poškozena.
Zprávy o těchto dvou úderech a o tom, že každý z nich potopil americkou letadlovou loď (v obou případech šlo o Yorktown), výrazně zlepšily morálku v Kido Butai. Jejích několik přeživších letadel bylo všechno shromážděno na palubě Hirjú, kde byla připravena k útoku proti tomu, co bylo považováno za jedinou zbývající americkou letadlovou loď.
Americký protiútok
Pozdě odpoledne průzkumný letoun Yorktown lokalizoval Hirjú. Enterprise zahájila útok střemhlavých bombardérů (včetně 10 SBD z Yorktownu). Přestože Hirjú bránil více než tucet stíhaček Zero, útok Enterprise byl úspěšný: čtyři, možná pět bomb zasáhlo Hirjú, zanechalo ji v plamenech a neschopnou provozu letadel. (Úder Hornetu mířil na doprovodné lodě, ale nezaznamenal žádný zásah.) Po beznadějných pokusech zvládnout požár byla většina posádky, která na Hirjú zůstala, vyvedena z lodi. Zbytek flotily pokračoval v plavbě na severovýchod, aby dostihl americké letadlové lodě. Hiryū zůstala na hladině ještě několik hodin. Objevila ji letadla z lehké letadlové lodi Hōshō. To vyvolalo naději, že by mohla být zachráněna nebo odtažena zpět do Japonska. Krátce poté, co byla spatřena, se však Hiryū potopila. Kontradmirál Jamaguči se rozhodl jít ke dnu se svou lodí, což Japonsko stálo nejlepšího důstojníka letadlové lodi.
Když se setmělo, obě strany přemýšlely o situaci a plánovaly další postup. Admirál Fletcher musel Yorktown opustit. Cítil, že z křižníku nemůže velet. Předal velení Spruanceovi. Spruance věděl, že Spojené státy dosáhly velkého vítězství, ale stále si nebyl jistý, jaké japonské síly ještě zbývají. Chtěl ochránit Midway a své letadlové lodě. Přes den sledoval Naguma a pokračoval v jeho sledování, když nastala noc. Nakonec se Spruance v obavách z možné noční bitvy s japonskými loděmi a v domnění, že Jamamoto stále zamýšlí invazi, stáhl na východ. O půlnoci se obrátil zpět na západ k nepříteli. Jamamoto se rozhodl pokračovat v útocích a vyslal své zbývající lodě pátrat na východ po amerických letadlových lodích. Vyslal také křižníkovou přepadovou jednotku, aby bombardovala ostrov. Japonským lodím se nepodařilo navázat kontakt s Američany kvůli Spruanceovu rozhodnutí stáhnout se na východ a Jamamoto nařídil ústup na západ.
Spruanceovi se 5. června nepodařilo obnovit kontakt s Jamamotovými silami, přestože podnikl mnoho pátracích akcí. Ke konci dne zahájil útok na všechny lodě z Nagumových letadlových lodí. Tento úder minul Jamamotovu hlavní skupinu lodí. Nezasáhl žádný japonský torpédoborec. Úderná letadla se po setmění vrátila na letadlové lodě. Spruance nařídil Enterprise a Hornetu, aby zapnuly svá světla na pomoc při vylodění.
V noci z 5. na 6. června ve 02:15 se ponorka Tambor velitele Johna Murphyho nacházela ve vodě 90 námořních mil (100 mil; 170 km) západně od Midway a přispěla druhým významným způsobem k výsledku bitvy. Murphy ani jeho výkonný důstojník Ray Spruance Jr. spatřili několik lodí, ale nedokázali je identifikovat. Vzhledem k tomu, že se mohlo jednat o americké lodě, Murphy nestřílel, ale nahlásil lodě admirálu Robertu Englishovi, veliteli ponorkových sil Tichomořské flotily (COMSUBPAC). Toto hlášení bylo zasláno Nimitzovi, který je poté poslal Spruanceovi. Spruance předpokládal, že se jedná o invazní síly, a přesunul se, aby je zablokoval, přičemž se držel 100 námořních mil (120 mil; 190 km) severovýchodně od Midwaye.
Lodě, které Tambor spatřil, byly čtyři křižníky a dva torpédoborce, které Jamamoto vyslal bombardovat Midway. Ve 02:55 dostaly tyto lodě Jamamotův rozkaz stáhnout se a změnily kurz. Přibližně ve stejnou dobu, kdy došlo ke změně kurzu, byl spatřen Tambor, a aby se vyhnul útoku ponorek, Mogami a Mikuma do sebe narazily, což způsobilo vážné poškození přídě Mogami. Méně poškozená Mikuma zpomalila na 12 uzlů (22 kilometrů za hodinu; 14 mil za hodinu). To bylo největší poškození, jakého dosáhla kterákoli z 18 ponorek nasazených do bitvy. Teprve v 04:12 se obloha vyjasnila natolik, aby si Murphy mohl být jistý, že jde o japonské lodě, do té doby bylo setrvání na hladině nebezpečné, a ponořil se, aby se přiblížil k útoku. Útok byl neúspěšný a kolem 06:00 konečně ohlásil dva západně plující křižníky třídy Mogami.
V následujících dvou dnech nejprve Midway a poté Spruanceovy letadlové lodě podnikly několik útoků. Mikuma byla potopena Dauntlessy, zatímco Mogami poškození přežila a vrátila se domů k opravám. Během posledního z těchto útoků byly bombardovány a kulometně ostřelovány také torpédoborce Arashio a Asashio.
Yorktown byl tažen lodí USS Vireo. Pozdě odpoledne 6. června však I-168 vypálil torpéda; dvě zasáhla Yorktown, ale třetí zasáhlo a potopilo torpédoborec USS Hammann, který Yorktownu dodával energii. Hammann se rozlomil na dvě části a přišel o život 80 lidí. Yorktown se potopil 7. června krátce po 5:00.