Počiatočné letecké útoky
Približne o 9:00 3. júna spozorovalo hliadkovacie lietadlo amerického námorníctva japonské okupačné sily 500 námorných míľ (580 míľ; 930 km) západo-juhozápadne od Midway. O tri hodiny neskôr našli Američania japonskú dopravnú skupinu 570 námorných míľ (660 míľ; 1060 kilometrov) západne. Zaútočili, ale žiadna z bômb nezasiahla a nevznikli žiadne väčšie škody. Skoro ráno nasledujúceho dňa zasiahlo torpédo z útočiaceho PBY japonský ropný tanker Akebono Maru. Išlo o jediný úspešný letecký torpédový útok USA počas celej bitky.
4. júna o 04:30 Nagumo začal útok na Midway. Pozostával z 36 stíhacích bombardérov 36 torpédových bombardérov, ktoré sprevádzalo 36 stíhačiek Mitsubishi Zero. Zároveň spustil obrannú bojovú leteckú hliadku. Jeho osem pátracích lietadiel odštartovalo s 30-minútovým meškaním.
Japonské prieskumné plány boli slabé, na pokrytie pátracích oblastí bolo príliš málo lietadiel. Jamamotove rozhodnutia sa teraz stali vážnym problémom.
V čase, keď Nagumove bombardéry a stíhačky vzlietali, 11 PBY opúšťalo Midway, aby hľadali japonské lode. Hlásili, že spozorovali dve japonské lietadlové lode s prázdnymi palubami, čo znamenalo, že sa chystá letecký útok. Americký radar zachytil nepriateľa vo vzdialenosti niekoľkých míľ a lietadlá boli vyslané na obranu Midway. Bombardéry vyrazili zaútočiť na flotilu japonských lietadlových lodí. Americké stíhačky zostali vzadu, aby bránili Midway. O 06:20 hod. japonské lietadlá lietadlových lodí bombardovali a ťažko poškodili americkú základňu. Piloti námorných stíhačiek so základňou na Midwayi, lietajúci na stíhačkách F4F a zastaraných F2A, zachytili Japoncov a mali veľa strát. Väčšina amerických lietadiel bola zostrelená v prvých minútach; niekoľko bolo poškodených a len dve mohli letieť. Celkovo boli zostrelené 3 F4F a 13 F2A. Americká protilietadlová paľba bola presná, poškodila mnoho japonských lietadiel a štyri zničila.
Zo 108 japonských lietadiel zapojených do tohto útoku bolo 11 zničených, 14 ťažko poškodených a 29 poškodených. Počiatočný japonský útok Midway nezničil: Americké bombardéry mohli stále využívať leteckú základňu na doplnenie paliva a útok na japonské invázne sily. Väčšina pozemnej obrany Midway bola neporušená. Ďalší letecký útok na zničenie obrany Midway by bol potrebný, ak by sa vojská mohli dostať na pevninu do 7. júna.
Americké bombardéry na základni Midway podnikli niekoľko útokov na japonskú flotilu lietadlových lodí. Patrilo k nim šesť Avengerov Grumman z VT-8 Hornet (Midway bola prvou bojovou misiou pre letcov VT-8 a bola to prvá bojová misia TBF), 241. prieskumná bombardovacia letka námornej pechoty (VMSB-241), ktorú tvorilo jedenásť SB2U-3 a šestnásť SBD, plus štyri B-26 USAAF vyzbrojené torpédami a pätnásť B-17. Japonci tieto útoky odrazili. USA stratili dve stíhačky, päť TBF, dve SB2U, osem SBD a dve B-26.
Jeden B-26 sa po vážnom poškodení protilietadlovou paľbou vrhol priamo na Akagi. Lietadlo tesne minulo mostík lietadlovej lode, čo mohlo Naguma a jeho veliteľský štáb zabiť. To mohlo Naguma prinútiť, aby sa rozhodol podniknúť ďalší útok na Midway v rozpore s Jamamotovým rozkazom ponechať si záložné sily na protilodné operácie.
Nagumovo rozhodnutie
Admirál Nagumo si nechal polovicu svojich lietadiel v zálohe. Išlo o dve letky stíhacích bombardérov a torpédových bombardérov. O 07:15 Nagumo nariadil, aby boli jeho rezervné lietadlá znovu vyzbrojené bombami na použitie proti pozemným cieľom. O 07:40 spozorovalo prieskumné lietadlo z Tone veľké americké námorné sily na východe. Zdá sa, že Nagumo dostal správu až o 08:00. Nagumo svoj rozkaz zmenil, ale trvalo 40 minút, kým Toneho prieskumník konečne vysielačkou oznámil, že v amerických silách je lietadlová loď. Išlo o jednu z lietadlových lodí z TF 16; druhá lietadlová loď nebola spozorovaná.
Nagumo teraz nevedel, čo má robiť. Kontraadmirál Tamon Jamaguči odporučil Nagumovi, aby zaútočil s dostupnými silami: 18 stíhacími bombardérmi Aiči D3A na Sōryū a Hiryū a polovicou krycích hliadkových lietadiel. Nagumova možnosť zasiahnuť americké lode však bola teraz obmedzená. Úderné sily z Midway sa mali čoskoro vrátiť a museli pristáť alebo sa zrútiť do mora. Kvôli neustálej aktivite na letovej palube Japonci nedostali svoje záložné lietadlá na štart. Tých niekoľko lietadiel, ktoré boli pripravené, boli obranné stíhacie lietadlá. Vypustenie lietadiel by si vyžadovalo najmenej 30 až 45 minút. Okamžitým vypustením by Nagumo použil časť svojej rezervy bez riadnych protilietadlových zbraní. Práve videl, ako ľahko boli zostrelené nesprevádzané americké bombardéry. Nedostatočná disciplína spôsobila, že mnohé japonské bombardéry sa zbavili svojich bômb a pokúsili sa bojovať so zachytávajúcimi F4F. Japonské pravidlá pre lietadlové lode uprednostňovali plné údery, a keďže Nagumo nevedel, že súčasťou amerických síl je aj lietadlová loď, jeho reakcia sa riadila japonskými pravidlami. Navyše príchod ďalšieho amerického náletu o 07:53 spôsobil, že Nagumo chcel na ostrov zaútočiť znova. Nagumo sa rozhodol počkať, kým pristane jeho prvá úderná sila, a potom spustiť záložnú, ktorá by bola dovtedy vyzbrojená a pripravená.
Fletcherove lietadlové lode vypustili svoje lietadlá od 7:00, takže lietadlá, ktoré zaútočili na Nagumo, už boli na ceste. Nagumo s tým nemohol nič urobiť. To bola chyba Jamamotových plánov.
Útoky na japonskú flotilu
Američania už proti Japoncom nasadili svoje lietadlové lode. Admirál Fletcher, ktorý velil na palube Yorktownu a ktorý mal od skorého rána správy o pozorovaní PBY, nariadil čo najskôr zaútočiť na Japoncov. Yorktown držal v zálohe pre prípad, že by sa objavili ďalšie japonské lietadlové lode. (Fletcherove pokyny Spruanceovi poslal Nimitz, ktorý zostal na brehu.)
Spruance si myslel, že aj keď je vzdialenosť veľká, útok by mohol byť úspešný. Rozkaz na začatie útoku vydal okolo 06:00. Fletcher po ukončení vlastných prieskumných letov nasledoval o 08:00 z Yorktownu.
Admirál Fletcher, veliteľ operačnej skupiny Yorktown, spolu s kapitánom Elliottom Buckmasterom, veliteľom Yorktownu, a ich štábmi mali skúsenosti s plným úderom na nepriateľské sily v Koralovom mori. To, čo sa naučili, však nemohli odovzdať Enterprise a Hornetu, ktoré dostali rozkaz na prvý úder. Spruance nariadil lietadlám, aby okamžite vyrazili k cieľu, pretože zničenie nepriateľských lietadlových lodí bolo dôležité pre bezpečnosť jeho lodí. Spruance sa rozhodol, že je dôležitejšie zaútočiť čo najskôr, než koordinovať útok lietadlami rôznych typov a rýchlostí (stíhačkami, bombardérmi a torpédovými bombardérmi). Americké letky vyrazili k cieľu v niekoľkých rôznych skupinách. Dúfal, že nájde Naguma s letovými palubami plnými lietadiel.
Americké lietadlá mali problémy s lokalizáciou cieľa. Úder z Hornetu, ktorý viedol veliteľ Stanhope C. Ring, neletel správnym smerom. Stíhacie bombardéry leteckej skupiny Eight minuli japonské lietadlové lode. [Potrebná stránka] Torpédová eskadra 8 letela správnym smerom. Desiatim F4F z Hornetu však došlo palivo a museli sa zrútiť do oceánu. Waldronova eskadra zbadala nepriateľské lietadlové lode a začala útočiť o 09:20. Za ňou nasledovala Torpédová eskadra 6 (VT-6, z Enterprise), ktorej stíhačkám Wildcat sprevádzajúcim lietadlá tiež došlo palivo a o 09:40 sa museli vrátiť. Bez stíhacieho sprievodu bolo všetkých pätnásť TBD Devastator z VT-8 zostrelených bez toho, aby mohli spôsobiť akékoľvek škody, pričom jediný, kto prežil, bol práporčík George Gay. VT-6 stratil 10 zo svojich 14 Devastátorov a 10 z 12 Devastátorov Yorktownu VT-3 bolo zostrelených bez zásahu. Súčasťou problému bol slabý výkon torpéd Mark 13. Vyšší dôstojníci námorníctva a úradu pre výzbroj sa nikdy nepýtali, prečo šesť torpéd, vypustených tak blízko japonských lietadlových lodí, neprinieslo žiadne zásahy. Japonská bojová letecká hliadka, lietajúca na Mitsubishi A6M2 Zeros, zostrelila nesprevádzané, pomalé a nedostatočne vyzbrojené TBD. Niekoľkým TBD sa podarilo priblížiť natoľko, aby mohli odhodiť torpéda a strieľať z guľometov na nepriateľské lode. To prinútilo japonské lietadlové lode k prudkým obratom. TBD Devastator sa už nikdy nepoužili v boji.
Napriek tomu, že sa im nepodarilo dosiahnuť žiadny zásah, americké torpédové útoky znemožnili japonským lietadlovým lodiam pripraviť sa a uskutočniť vlastný útok. Zároveň vyradili z pozície japonskú bojovú leteckú hliadku (CAP). Rovnako mnohým Zerám dochádzala munícia a palivo. Objavenie sa tretieho útoku torpédových lietadiel z juhovýchodu od Torpédovej eskadry 3 (VT-3 z Yorktownu) o 10:00 prinútilo japonskú CAP letieť do juhovýchodného rohu flotily. Lepšia disciplína a použitie väčšieho počtu Zier pre CAP mohlo Nagumovi umožniť zabrániť škodám spôsobeným nadchádzajúcimi americkými útokmi.
Tri eskadry SBD z Enterprise a Yorktownu (VB-6, VS-6 a VB-3) sa približovali z juhozápadu a severovýchodu. Dvom eskadrám z Enterprise dochádzalo palivo kvôli času strávenému hľadaním nepriateľa. Veliteľ eskadry sa však rozhodol pokračovať v pátraní. Spozoroval japonský torpédoborec Arashi. Presúval sa, aby sa pripojil k Nagumovým lietadlovým lodiam po tom, čo neúspešne hĺbkovo zaútočil na americkú ponorku Nautilus. Nautilus predtým neúspešne zaútočil na bojovú loď Kirišima. Niektoré bombardéry boli stratené pre nedostatok paliva ešte pred začiatkom útoku.
McCluskyho rozhodnutie pokračovať v pátraní bolo veľkou pomocou pre operačnú skupinu amerických lietadlových lodí a sily na Midway. Všetky tri eskadry amerických stíhacích bombardérov (VB-6, VS-6 a VB-3) dorazili v správnom čase na útok. Väčšinu japonských CAP hľadali torpédové lietadlá. Ozbrojené japonské úderné lietadlá zaplnili hangárové paluby, na palubách ležali palivové hadice a v blízkosti hangárov boli bomby a torpéda, takže japonským lietadlovým lodiam veľmi hrozilo poškodenie.
Od 10:22 sa dve letky leteckej skupiny Enterprise rozdelili a zaútočili na dva ciele. Omylom obe skupiny zaútočili na Kagu. Komandér nadporučík Richard Halsey Best a dve ďalšie lietadlá zamierili na sever, aby zaútočili na Akagi. Prichádzajúc pod útok takmer dvoch plných eskadier, Kaga bola zasiahnutá štyrmi alebo piatimi bombami, ktoré spôsobili ťažké škody a založili požiare, ktoré sa nedali uhasiť. Jedna z bômb dopadla neďaleko mostíka a zabila väčšinu vyšších dôstojníkov.
O niekoľko minút neskôr sa Best a dve lietadlá vrhli na Akagi. Hoci Akagi dostala jeden priamy zásah (zhodil ho nadporučík Best). Zasiahol palubný výťah a prešiel až na hornú hangárovú palubu. Vybuchla medzi vyzbrojenými a natankovanými lietadlami. Ďalšia bomba vybuchla pod vodou, čo ohlo letovú palubu a spôsobilo poškodenie kormidla.
Yorktown VB-3, ktorému velil Max Leslie, zaútočil na Sōryū. Dostali najmenej tri zásahy a spôsobili veľké škody. VT-3 sa zamerala na Hiryū, ale nedostala žiadny zásah.
Do šiestich minút boli Sōryū a Kaga v plameňoch. Vážne poškodená bola aj Akagi. Japonci dúfali, že Akagi sa podarí zachrániť alebo odtiahnuť späť do Japonska. Nakoniec boli všetky tri lietadlové lode opustené a potopené.
Japonské protiútoky
Hiryū, jediná preživšia japonská lietadlová loď, zaútočila. Prvý útok na Hirjú pozostával z 18 stíhacích bombardérov a šiestich stíhacích eskortných lietadiel. Nasledovali ustupujúce americké lietadlá a zaútočili na Yorktown, pričom ho zasiahli tromi bombami, ktoré urobili dieru do paluby, vyradili kotly a zničili niekoľko protilietadlových diel. Napriek poškodeniu sa opravárenským tímom podarilo za hodinu opraviť letovú palubu a opraviť niekoľko kotlov. Pri tomto útoku bolo stratených dvanásť japonských stíhacích bombardérov a štyri sprevádzajúce stíhačky.
Približne o hodinu neskôr došlo k druhému útoku Hirjú. Pozostával z desiatich torpédových bombardérov a šiestich sprevádzajúcich A6M. Americké opravárenské úsilie bolo tak dobre vykonané, že Japonci predpokladali, že musí ísť o inú, nepoškodenú lietadlovú loď. Pri útoku Yorktown zasiahli dve torpéda; stratil všetok výkon a došlo k jeho nakloneniu na ľavobok, čo ho vyradilo z činnosti. Admirál Fletcher presunul svoj veliteľský štáb na ťažký krížnik Astoria. Ani jedna z lietadlových lodí Spruanceovej operačnej skupiny 16 nebola poškodená.
Správy o týchto dvoch úderoch a o tom, že každý z nich potopil americkú lietadlovú loď (v skutočnosti Yorktown v oboch prípadoch), výrazne zlepšili morálku v Kido Butai. Všetkých jej niekoľko prežívajúcich lietadiel sa vrátilo na palubu Hirjú, kde boli pripravené na útok proti tomu, čo sa považovalo za jedinú zostávajúcu americkú lietadlovú loď.
Americký protiútok
Neskoro popoludní prieskumné lietadlo Yorktown lokalizovalo Hirjú. Enterprise podnikla útok střemhlavých bombardérov (vrátane 10 SBD z Yorktownu). Napriek tomu, že Hiryū bránil viac ako tucet stíhačiek Zero, útok Enterprise bol úspešný: štyri, možno päť bômb zasiahlo Hiryū, čím sa ocitlo v plameňoch a nebolo schopné prevádzkovať lietadlá. (Úder Hornetu smeroval na sprievodné lode, ale nezaznamenal žiadny zásah.) Po beznádejných pokusoch zvládnuť požiar bola väčšina posádky, ktorá zostala na Hirjú, odvedená z lode. Zvyšok flotily pokračoval v plavbe na severovýchod, aby dostihol americké lietadlové lode. Hiryū zostala na hladine ešte niekoľko hodín. Objavilo ju lietadlo z ľahkej lietadlovej lode Hōshō. To vyvolalo nádej, že sa ju podarí zachrániť alebo odtiahnuť späť do Japonska. Hiryū sa však krátko po spozorovaní potopila. Kontradmirál Jamaguči sa rozhodol ísť ku dnu spolu so svojou loďou, čím Japonsko prišlo o svojho najlepšieho dôstojníka lietadlovej lode.
Keď sa zotmelo, obe strany premýšľali o situácii a pripravovali plány na akciu. Admirál Fletcher musel Yorktown opustiť. Cítil, že nemôže veliť z krížnika. Velenie odovzdal Spruanceovi. Spruance vedel, že Spojené štáty dosiahli veľké víťazstvo, ale stále si nebol istý, aké japonské sily ešte zostali. Chcel ochrániť Midway a svoje lietadlové lode. Počas dňa sledoval Naguma a pokračoval v sledovaní, keď nastala noc. Nakoniec sa Spruance v obave z možnej nočnej bitky s japonskými loďami a v domnienke, že Jamamoto má stále v úmysle zaútočiť, stiahol na východ. O polnoci sa obrátil späť na západ k nepriateľovi. Jamamoto sa rozhodol pokračovať v útokoch a poslal svoje zostávajúce lode hľadať americké lietadlové lode na východ. Vyslal tiež nájazdovú skupinu krížnikov, aby bombardovala ostrov. Japonským lodiam sa nepodarilo nadviazať kontakt s Američanmi v dôsledku Spruanceovho rozhodnutia stiahnuť sa na východ a Jamamoto nariadil ústup na západ.
Spruanceovi sa 5. júna nepodarilo obnoviť kontakt s Jamamotovými silami, aj keď vykonal mnoho pátraní. Ku koncu dňa zaútočil na všetky lode z Nagumových lietadlových lodí. Tento úder minul hlavnú skupinu Jamamotových lodí. Nezasiahol žiadny japonský torpédoborec. Úderné lietadlá sa po zotmení vrátili na lietadlové lode. Spruance nariadil Enterprise a Hornetu zapnúť svetlá, aby pomohli pri vylodení.
V noci z 5. na 6. júna o 02.15 hod. sa Tambor veliteľa Johna Murphyho nachádzal vo vode 90 námorných míľ (100 míľ; 170 kilometrov) západne od Midway, čím sa podieľal na druhom významnom príspevku ponorkových síl k výsledku bitky. Keď zbadala niekoľko lodí, Murphy ani jeho výkonný dôstojník Ray Spruance, Jr. ich nedokázali identifikovať. Vzhľadom na to, že mohlo ísť o americké lode, Murphy nestrieľal, ale lode nahlásil admirálovi Robertovi Englishovi, veliteľovi ponorkových síl Tichomorskej flotily (COMSUBPAC). Toto hlásenie poslal Nimitzovi, ktorý ho následne poslal Spruanceovi. Spruance predpokladal, že ide o invázne sily, a presunul sa, aby ich zablokoval, pričom sa držal 100 námorných míľ (120 míľ; 190 km) severovýchodne od Midway.
Lode, ktoré Tambor spozoroval, boli štyri krížniky a dva torpédoborce, ktoré Jamamoto poslal bombardovať Midway. O 02:55 dostali tieto lode Jamamotov rozkaz stiahnuť sa a zmenili kurz. Približne v rovnakom čase ako zmenu kurzu spozorovali Tambor, a aby sa vyhli útoku ponorky, Mogami a Mikuma do seba narazili, čo spôsobilo vážne poškodenie na prove Mogami. Menej poškodená Mikuma spomalila na rýchlosť 12 uzlov (22 kilometrov za hodinu; 14 míľ za hodinu). Bolo to najväčšie poškodenie, aké dosiahla ktorákoľvek z 18 ponoriek nasadených do bitky. Až o 04:12 sa obloha rozjasnila natoľko, aby si Murphy mohol byť istý, že ide o japonské lode, pričom v tom čase už bolo nebezpečné zostať na hladine, a ponoril sa, aby sa priblížil k útoku. Útok bol neúspešný a okolo 06:00 konečne ohlásil dva západne smerujúce krížniky triedy Mogami.
Počas nasledujúcich dvoch dní podnikli najprv Midway a potom Spruanceove lietadlové lode niekoľko útokov. Mikumu potopili Dauntlessy, zatiaľ čo Mogami prežila poškodenie a vrátila sa domov na opravu. Počas posledného z týchto útokov boli bombardované a guľometne ostreľované aj torpédoborce Arashio a Asashio.
Yorktown bol vlečený loďou USS Vireo. Neskoro popoludní 6. júna však I-168 vypálila torpéda; dve zasiahli Yorktown, ale tretie zasiahlo a potopilo torpédoborec USS Hammann, ktorý Yorktownu dodával energiu. Hammann sa rozlomil na dve časti, pričom prišlo o život 80 ľudí. Yorktown sa potopil 7. júna krátko po 05.00 h.