Atacuri aeriene inițiale
La 3 iunie, în jurul orei 09:00, un avion de patrulare al Marinei americane a reperat Forța de ocupație japoneză la 500 de mile marine (580 de mile; 930 de kilometri) la vest-sud-vest de Midway. Trei ore mai târziu, americanii au găsit grupul de transport japonez la 570 mile marine (660 mile; 1.060 kilometri) spre vest. Au atacat, dar niciuna dintre bombe nu a lovit și nu au rezultat pagube majore. La începutul dimineții următoare, petrolierul japonez Akebono Maru a fost lovit de o torpilă a unui PBY atacator. Acesta a fost singurul atac cu torpile lansate din aer cu succes de către SUA în timpul întregii bătălii.
La 4 iunie, la ora 04:30, Nagumo a lansat atacul asupra Midway. Acesta era format din 36 de bombardiere în picaj 36 de bombardiere torpiloare, escortate de 36 de avioane de vânătoare Mitsubishi Zero. În același timp, a lansat o patrulă aeriană de luptă defensivă. Cele opt avioane de cercetare ale sale au fost lansate cu 30 de minute întârziere.
Planurile de recunoaștere japoneze erau slabe, cu prea puține avioane pentru a acoperi zonele de căutare. Deciziile lui Yamamoto deveniseră acum o problemă serioasă.
În timp ce bombardierele și avioanele de vânătoare ale lui Nagumo decolau, 11 PBY-uri plecau de la Midway pentru a căuta nave japoneze. Acestea au raportat că au observat două portavioane japoneze cu punțile goale, ceea ce însemna că un atac aerian era pe drum. Radarul american a detectat inamicul la o distanță de câteva mile, iar avioanele au fost trimise să apere Midway. Bombardierele au plecat să atace flota de portavioane japoneze. Avioanele de vânătoare americane au rămas în urmă pentru a apăra Midway. La ora 06:20, avioanele portavioanelor japoneze au bombardat și au avariat puternic baza americană. Piloții de vânătoare ai pușcașilor marini de la Midway, care zburau pe F4F și F2A învechite, i-au interceptat pe japonezi și au avut multe pierderi. Majoritatea avioanelor americane au fost doborâte în primele minute; câteva au fost avariate și doar două au putut zbura. În total, 3 F4F și 13 F2A au fost doborâte. Tirul antiaerian american a fost precis, avariind multe avioane japoneze și distrugând patru.
Din cele 108 avioane japoneze implicate în acest atac, 11 au fost distruse, 14 au fost grav avariate și 29 au fost avariate. Atacul inițial japonez nu a distrus Midway: Bombardierele americane puteau folosi în continuare baza aeriană pentru a realimenta și a ataca forța de invazie japoneză. Cea mai mare parte a apărării terestre de la Midway a rămas intactă. Un alt atac aerian pentru a distruge apărarea Midway ar fi fost necesar pentru ca trupele să poată debarca până la 7 iunie.
Bombardierele americane cu baza la Midway au efectuat mai multe atacuri asupra flotei japoneze de portavioane. Printre acestea se numărau șase Grumman Avenger din VT-8 de pe Hornet (Midway a fost prima misiune de luptă pentru aviatorii din VT-8 și a fost prima misiune de luptă a TBF), Escadrila de cercetași-bombardiere 241 a Marinei (VMSB-241), formată din unsprezece SB2U-3 și șaisprezece SBD, plus patru B-26 ale USAAF, înarmate cu torpile, și cincisprezece B-17. Japonezii au respins aceste atacuri. SUA au pierdut două avioane de vânătoare, cinci TBF-uri, două SB2U, opt SBD-uri și două B-26.
Un B-26, după ce a fost grav avariat de focul antiaerian, a plonjat direct spre Akagi. Avionul a ratat de puțin podul portavionului, ceea ce ar fi putut să-l ucidă pe Nagumo și personalul său de comandă. Este posibil ca acest lucru să-l fi determinat pe Nagumo să decidă să lanseze un alt atac asupra Midway, împotriva ordinului lui Yamamoto de a păstra forța de rezervă pentru operațiuni anti-navă.
Decizia lui Nagumo
Amiralul Nagumo și-a păstrat jumătate din avioane în rezervă. Acestea erau două escadrile de bombardiere în picaj și bombardiere torpiloare. La ora 07:15, Nagumo a ordonat ca avioanele sale de rezervă să fie reînarmate cu bombe pentru a fi folosite împotriva țintelor terestre. La ora 07:40, un avion de recunoaștere de la Tone a văzut o mare forță navală americană la est. Se pare că Nagumo nu a primit raportul până la ora 08:00. Nagumo și-a inversat ordinul, dar a durat 40 de minute până când avionul de recunoaștere al lui Tone a transmis în cele din urmă prin radio că în forța americană se afla un portavion. Acesta era unul dintre portavioanele din TF 16; celălalt portavion nu a fost reperat.
Nagumo nu mai știa ce să facă. Contraamiralul Tamon Yamaguchi i-a recomandat lui Nagumo să atace cu forțele pe care le avea la îndemână: 18 bombardiere în picaj Aichi D3A pe Sōryū și Hiryū și jumătate din avioanele de patrulare de acoperire. Cu toate acestea, oportunitatea lui Nagumo de a lovi navele americane era acum limitată. Forța de atac de la Midway urma să se întoarcă în scurt timp și trebuia să aterizeze sau să se prăbușească în mare. Din cauza activității constante de pe puntea de zbor, japonezii nu au reușit să-și aducă avioanele de rezervă pe puntea de zbor pentru lansare. Puținele avioane care erau pregătite erau avioane de vânătoare defensive. Lansarea avioanelor ar fi necesitat cel puțin 30 până la 45 de minute. Prin lansarea imediată, Nagumo ar fi folosit o parte din rezerva sa fără arme anti-navă adecvate. Tocmai văzuse cât de ușor fuseseră doborâte bombardierele americane fără escortă. Disciplina precară a făcut ca multe dintre bombardierele japoneze să scape de bombe și să încerce să se lupte cu F4F-urile care le interceptau. Regulile japoneze privind portavioanele preferau loviturile complete și, din moment ce Nagumo nu știa că forța americană includea un portavion, răspunsul său a urmat regulile japoneze. În plus, sosirea unui alt atac aerian american la ora 07:53 l-a făcut pe Nagumo să vrea să atace din nou insula. Nagumo a decis să aștepte ca prima sa forță de atac să aterizeze, apoi să lanseze rezerva, care ar fi fost până atunci armată și pregătită.
Portavioanele lui Fletcher își lansaseră avioanele începând cu ora 07:00, astfel că avioanele care au atacat Nagumo erau deja pe drum. Nagumo nu putea face nimic în privința asta. Acesta era punctul slab al planurilor lui Yamamoto.
Atacuri asupra flotei japoneze
Americanii își lansaseră deja portavioanele împotriva japonezilor. Amiralul Fletcher, aflat la comanda la bordul Yorktown și având rapoarte de observare a PBY-urilor de la primele ore ale dimineții, a ordonat un atac asupra japonezilor cât mai curând posibil. El a ținut Yorktown în rezervă în cazul în care ar fi fost descoperite alte portavioane japoneze. (Instrucțiunile lui Fletcher către Spruance au fost trimise de Nimitz, care rămăsese pe uscat).
Spruance s-a gândit că, deși distanța era mare, un atac ar putea avea succes. El a dat ordinul de a lansa atacul în jurul orei 06:00. Fletcher, după ce și-a finalizat propriile zboruri de recunoaștere, l-a urmat la ora 08:00 din Yorktown.
Amiralul Fletcher, care comanda forța operațională Yorktown, împreună cu căpitanul Elliott Buckmaster, comandantul Yorktown, și cu personalul lor aveau experiență în efectuarea unei lovituri complete împotriva unei forțe inamice în Marea Coralilor. Dar nu au putut transmite ceea ce învățaseră celor de la Enterprise și Hornet, cărora li s-a ordonat să lanseze primul atac. Spruance a ordonat ca avioanele să se îndrepte imediat spre țintă, deoarece distrugerea portavioanelor inamice era importantă pentru siguranța navelor sale. Spruance a decis că era mai important să atace cât mai repede posibil, decât să coordoneze atacul cu avioane de diferite tipuri și viteze (avioane de vânătoare, bombardiere și bombardiere torpiloare). Escadrilele americane s-au îndreptat spre țintă în mai multe grupuri diferite. A sperat că îl va găsi pe Nagumo cu punțile de zbor pline de avioane.
Avioanele portavioanelor americane au avut dificultăți în localizarea țintei. Atacul de pe Hornet, condus de comandantul Stanhope C. Ring, nu a zburat în direcția corectă. Bombardierele în picaj ale Grupului Aerian 8 au ratat portavioanele japoneze. Escadrila de torpile 8 a zburat în direcția corectă. Cu toate acestea, cele 10 F4F din Hornet au rămas fără combustibil și au fost nevoite să se prăbușească în ocean. Escadrila lui Waldron a văzut portavioanele inamice și a început atacul la ora 09:20, urmată de Escadrila de torpile 6 (VT-6, de pe Enterprise), ale cărei escorte de vânătoare Wildcat au rămas, de asemenea, fără combustibil și au trebuit să se întoarcă la 09:40. Fără escortă de luptători, toate cele cincisprezece TBD Devastator ale VT-8 au fost doborâte fără a putea face vreo pagubă, singurul supraviețuitor fiind sublocotenentul George Gay. VT-6 a pierdut 10 din cele 14 Devastator ale sale, iar 10 din cele 12 Devastator ale lui Yorktown VT-3 au fost doborâte fără a fi lovite. O parte a problemei a fost reprezentată de performanța slabă a torpilelor Mark 13. Ofițerii superiori ai Marinei și ai Biroului de Artilerie nu s-au întrebat niciodată de ce șase torpile, lansate atât de aproape de portavioanele japoneze, nu au produs nicio lovitură. Patrula aeriană de luptă japoneză, care zbura cu Mitsubishi A6M2 Zeros, a doborât TBD-urile fără escortă, lente și slab înarmate. Câteva TBD-uri au reușit să se apropie suficient de mult pentru a lansa torpilele și pentru a trage cu mitralierele asupra navelor inamice. Acest lucru a făcut ca portavioanele japoneze să facă viraje bruște. TBD Devastator nu a mai fost folosit niciodată în luptă.
În ciuda faptului că nu au reușit să obțină nicio lovitură, atacurile americane cu torpile au făcut ca portavioanele japoneze să nu se poată pregăti și să lanseze propriul atac. De asemenea, au scos din poziție patrula aeriană de luptă (CAP) japoneză. De asemenea, multe Zeros au rămas fără muniție și combustibil. Apariția unui al treilea atac cu avioane torpiloare dinspre sud-est de către Escadrila de torpile 3 (VT-3 de pe Yorktown) la ora 10:00 a făcut ca CAP-ul japonez să zboare spre colțul sud-estic al flotei. O disciplină mai bună și utilizarea mai multor Zero pentru CAP i-ar fi permis lui Nagumo să prevină pagubele provocate de atacurile americane care urmau să vină.
Trei escadrile de SBD-uri de pe Enterprise și Yorktown (VB-6, VS-6 și, respectiv, VB-3) se apropiau dinspre sud-vest și nord-est. Cele două escadrile de pe Enterprise aveau puțin combustibil din cauza timpului petrecut în căutarea inamicului. Cu toate acestea, comandantul escadrilei a decis să continue căutarea. El a reperat distrugătorul japonez Arashi. Acesta se deplasa pentru a se alătura portavioanelor lui Nagumo, după ce încărcase fără succes submarinul american Nautilus în adâncime. Anterior, Nautilus atacase fără succes cuirasatul Kirishima. Unele bombardiere au fost pierdute din cauza lipsei de combustibil înainte de începerea atacului.
Decizia lui McClusky de a continua căutările a fost de mare ajutor pentru grupul operativ al portavioanelor americane și pentru forțele de la Midway. Toate cele trei escadrile americane de bombardiere în picaj (VB-6, VS-6 și VB-3) au sosit la momentul potrivit pentru a ataca. Cea mai mare parte a CAP-ului japonez căuta avioanele torpiloare. Avioanele de atac japoneze înarmate umpleau punțile hangarelor, furtunurile de combustibil zăceau pe punți, iar bombele și torpilele se aflau în apropierea hangarelor, ceea ce făcea ca portavioanele japoneze să fie foarte expuse riscului de a fi avariate.
Începând cu ora 10:22, cele două escadrile ale grupului aerian al lui Enterprise s-au despărțit și au atacat două ținte. Din greșeală, ambele grupuri au atacat nava Kaga. Locotenent-comandorul Richard Halsey Best și alte două avioane s-au îndreptat spre nord pentru a ataca Akagi. Fiind atacat de aproape două escadrile complete, Kaga a fost lovit de patru sau cinci bombe, care au provocat pagube importante și au declanșat incendii care nu au putut fi stinse. Una dintre bombe a aterizat în apropierea podului, ucigând majoritatea ofițerilor superiori.
Câteva minute mai târziu, Best și două avioane au plonjat asupra lui Akagi. Deși Akagi a primit o lovitură directă (lansată de locotenent-comandorul Best). Acesta a lovit liftul de pe punte și a ajuns până la puntea superioară a hangarului. A explodat printre avioanele înarmate și alimentate cu combustibil. O altă bombă a explodat sub apă, ceea ce a îndoit puntea de zbor și a provocat avarii la cârmă.
VB-3 de pe Yorktown, comandat de Max Leslie, a atacat Sōryū. Au primit cel puțin trei lovituri și au provocat multe pagube. VT-3 a țintit Hiryū, dar nu a primit nicio lovitură.
În șase minute, Sōryū și Kaga au luat foc. Akagi a fost, de asemenea, grav avariat. Japonezii au sperat că Akagi ar putea fi salvat sau tractat înapoi în Japonia. În cele din urmă, toate cele trei portavioane au fost în cele din urmă abandonate și scufundate.
Contraatacuri japoneze
Hiryū, singurul portavion japonez supraviețuitor a atacat. Primul atac al lui Hiryū a constat în 18 bombardiere în picaj și șase escorte de vânătoare. Aceștia au urmărit avioanele americane care se retrăgeau și au atacat Yorktown, lovindu-l cu trei bombe, care au făcut o gaură în punte, i-au stins cazanele și au distrus mai multe tunuri antiaeriene. În ciuda avariilor, echipele de reparații au reușit să repare puntea de zbor și să repare mai multe cazane într-o oră. Douăsprezece bombardiere japoneze în picaj și patru avioane de vânătoare de escortă au fost pierdute în acest atac.
Aproximativ o oră mai târziu, a avut loc al doilea atac al lui Hiryū. Acesta a constat în zece bombardiere torpiloare și șase A6M de escortă. Eforturile de reparații ale SUA fuseseră atât de bine făcute încât japonezii au presupus că trebuie să fie un alt portavion, neavariat. În timpul atacului, Yorktown a fost lovit de două torpile; a pierdut toată puterea și a dezvoltat o înclinare la babord, ceea ce l-a scos din acțiune. Amiralul Fletcher și-a mutat personalul de comandă pe crucișătorul greu Astoria. Niciunul dintre portavioanele din Task Force 16 a lui Spruance nu a fost avariat.
Vestea celor două lovituri, cu rapoartele că fiecare dintre ele a scufundat un portavion american (de fapt Yorktown în ambele cazuri), a îmbunătățit considerabil moralul în Kido Butai. Puținele sale avioane supraviețuitoare au fost toate recuperate la bordul Hiryū, unde au fost pregătite pentru un atac împotriva a ceea ce se credea a fi singurul portavion american rămas.
Contraatac american
La sfârșitul după-amiezii, un avion de recunoaștere Yorktown a localizat Hiryū. Enterprise a lansat un atac de bombardiere în picaj (inclusiv 10 SBD-uri de pe Yorktown). În ciuda faptului că Hiryū era apărat de mai mult de o duzină de avioane de vânătoare Zero, atacul lui Enterprise a avut succes: patru, posibil cinci bombe au lovit Hiryū, lăsând-o în flăcări și incapabilă să opereze aeronavele. (Atacul lui Hornet a vizat navele de escortă, dar nu a primit nicio lovitură.) După încercări disperate de a controla focul, majoritatea echipajului rămas pe Hiryū a fost scos de pe navă. Restul flotei a continuat să navigheze spre nord-est pentru a prinde portavioanele americane. Hiryū a rămas pe linia de plutire încă câteva ore. Ea a fost descoperită de un avion de pe portavionul ușor Hōshō. Acest lucru a dus la speranța că ar putea fi salvată sau remorcată înapoi în Japonia. Cu toate acestea, la scurt timp după ce a fost reperat, Hiryū s-a scufundat. Contraamiralul Yamaguchi a ales să se scufunde odată cu nava sa, ceea ce a costat Japonia cel mai bun ofițer de portavion.
Pe măsură ce se lăsa întunericul, ambele tabere s-au gândit la situație și și-au făcut planuri de acțiune. Amiralul Fletcher a fost nevoit să abandoneze Yorktown. El a considerat că nu putea comanda de pe un crucișător. I-a dat comanda lui Spruance. Spruance știa că Statele Unite obținuseră o mare victorie, dar nu era încă sigur de forțele japoneze rămase. El dorea să protejeze Midway și portavioanele sale. L-a urmărit pe Nagumo în timpul zilei și a continuat să îl urmărească la căderea nopții. În cele din urmă, temându-se de o posibilă bătălie nocturnă cu navele japoneze și crezând că Yamamoto încă intenționa să invadeze, Spruance s-a retras spre est. La miezul nopții s-a întors spre vest, spre inamic. Yamamoto a decis să continue atacurile și și-a trimis navele rămase în căutarea portavioanelor americane spre est. A trimis, de asemenea, o forță de raid de crucișător pentru a bombarda insula. Navele japoneze nu au reușit să intre în contact cu americanii din cauza deciziei lui Spruance de a se retrage spre est, iar Yamamoto a ordonat retragerea spre vest.
Spruance nu a reușit să reia contactul cu forțele lui Yamamoto pe 5 iunie, deși a făcut numeroase căutări. Spre sfârșitul zilei a lansat un atac asupra oricăror nave din forța de portavioane a lui Nagumo. Acest atac a ratat principalul grup de nave al lui Yamamoto. Nu a lovit niciun distrugător japonez. Avioanele de atac s-au întors la portavioane după căderea nopții. Spruance a ordonat ca Enterprise și Hornet să își aprindă luminile pentru a ajuta la debarcare.
La ora 02:15 în noaptea de 5/6 iunie, Tambor al comandantului John Murphy, aflat în apă la 90 de mile marine (100 mile; 170 kilometri) la vest de Midway, a adus cea de-a doua contribuție majoră a forței submarine la rezultatul bătăliei. Observând mai multe nave, nici Murphy, nici ofițerul său executiv, Ray Spruance Jr. nu au putut să le identifice. Considerând că ar putea fi nave americane, Murphy nu a tras, dar a raportat navele amiralului Robert English, comandantul Forței de submarine a Flotei Pacificului (COMSUBPAC). Acest raport a fost trimis lui Nimitz, care l-a trimis apoi lui Spruance. Spruance a presupus că aceasta era forța de invazie și s-a deplasat pentru a o bloca, rămânând la 100 de mile nautice (120 de mile; 190 de kilometri) la nord-est de Midway.
Navele observate de Tambor erau cele patru crucișătoare și două distrugătoare pe care Yamamoto le trimisese să bombardeze Midway. La ora 02:55, aceste nave au primit ordinul lui Yamamoto de a se retrage și au schimbat cursul. Cam în același timp cu schimbarea cursului, Tambor a fost reperat, iar pentru a evita un atac al submarinelor, Mogami și Mikuma s-au lovit reciproc, provocând avarii serioase la prova lui Mogami. Mikuma, mai puțin grav avariată, a încetinit la 12 noduri (22 de kilometri pe oră; 14 mile pe oră). Aceasta a fost cea mai mare avarie obținută de oricare dintre cele 18 submarine desfășurate pentru bătălie. Abia la ora 04:12 cerul s-a luminat suficient de mult pentru ca Murphy să fie sigur că navele erau japoneze, moment în care rămânerea la suprafață era periculoasă, iar el s-a scufundat pentru a se apropia în vederea unui atac. Atacul nu a avut succes, iar în jurul orei 06:00 a raportat în cele din urmă două crucișătoare din clasa Mogami care se îndreptau spre vest.
În următoarele două zile, mai întâi Midway și apoi portavioanele lui Spruance au lansat mai multe atacuri. Mikuma a fost scufundat de Dauntlesses, în timp ce Mogami a supraviețuit avariilor și s-a întors acasă pentru reparații. Distrugătoarele Arashio și Asashio au fost, de asemenea, bombardate și mitraliate în timpul ultimului dintre aceste atacuri.
Yorktown a fost remorcat de USS Vireo. Cu toate acestea, în după-amiaza târzie a zilei de 6 iunie, I-168 a tras torpile; două au lovit Yorktown, dar o a treia a lovit și a scufundat distrugătorul USS Hammann, care furniza energie pentru Yorktown. Hammann s-a rupt în două, pierzând 80 de vieți. Yorktown s-a scufundat imediat după ora 05:00 pe 7 iunie.