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激烈的空战呈现一边倒状态。美军战斗机的性能完全无法与零式相比，经验丰富的日军飞行员也要比对手优秀很多。在日机的凌厉攻击面前，只见美机一架接一架翻滚着拖着一道道黑烟坠入海中。在渊田后来的询问中，“赤城”号的一名飞行员恰如其分地总结了当时的情形：“敌军的飞机实际上是很差劲的，我感觉它们都是精疲力竭的样子。”事实的确如此，帕克斯中队长的飞机中弹起火，少校无奈选择了跳伞。一架日军战斗机根本未打算放过他，冲上去对准他一通扫射，已经落地的帕克斯少校就这样惨死在礁石上。他率领的第一分队中，只有战机故障提前返回的查尔斯休斯少尉一人幸存。丹尼尔亨尼西率领第二分队的6架“水牛”同样毫无惧色地冲向日军编队。菲利普怀特上尉发现敌军共有3个V形编队，各由8架飞机组成。完成第一次攻击后他发现身后有一架零式机，就猛地一个俯冲将之甩掉。在击落一架日机之后，他发现另一架敌机在云层中时隐时现，怀特将老掉牙的“水牛”马力开足，追到近处向这架敌机开火。中弹的日机速度瞬间大减。关键时刻怀特发现弹药耗尽，自己已无法收拾这个囊中之物。这架幸运的日机很可能是友永驾驶的。
第二战斗机分队中，最后生还的仅有怀特和赫伯特梅里尔上尉两人。梅里尔在受伤飞机中呆的时间太长，脸部、脖子和双手严重烧伤，最后跳伞到礁湖中才保住了性命，他显然比帕克斯少校和其他同伴幸运多了。怀特亲眼目睹了许多战友的悲壮牺牲，对“水牛”这种笨拙的战斗机充满了切骨仇恨：“‘水牛’根本不能被称作战斗机，日本零式战斗机可以绕着它转圈儿飞。我认为指挥官在命令飞行员驾驶这种飞机升空时，已经可以把他的名字写进阵亡名单中了。”头部中弹侥幸生还的查尔斯昆兹少尉气愤地说，“这种飞机应当放在迈阿密作教练机，而不是在前线当战斗机使用。”
阿米斯特德的第三分队运气稍佳，他选择的攻击目标是5架日机组成的一个分队。他从高空陡直向下飞速冲向日机，他看见自己的燃烧弹从日编队长机前面沿着V形编队的左翼一路打过去，似乎有两、三架敌机起火坠落。3架日军战斗机紧追不舍，飞机左翼中了大约20发7.7毫米子丨弹丨。但他还是摆脱了追击，最终安全降落在岛上。
在击溃或驱走美军战斗机的阻击和拦截之后，日机大队继续朝着中途岛快速逼近，它们即将面临岛上高射炮火的严峻考验。6时30分，香农营长通知所有部队：“目标进入我射程之内立即开火。”此时天空晴朗，高炮射击能见度极好。礁湖中的鱼雷艇已快速驶出，艇上的机枪、甚至步枪和手枪都进入了预备射击状态。大导演约翰福特中校守候在东岛发电站屋顶上，他看到同胞们个个异常镇静，目光炯炯，简直是在“懒洋洋”的气氛中等待着空袭的来临。福特并未亲历过战争，他对陆战队员们在如此场面下的冷静惊叹不已—老酒要能经历一次就好了。
沙岛的雷达显示敌机群正不断逼近。此前爆发的激烈空战对日军的攻击影响甚微。懂行的陆战队员们钦佩地看到，日军飞行员依靠娴热的技术和严格的纪律保持着整齐队形。一架轰炸机被击落后，V形编队中的其它飞机立即重新组合填补空当，继续保持着原来的航向和航速—日本人果真是训练有素，善者不来，来者不善！
狡猾的日军机群并非直接自西向东发起攻击，而是从北面迂回至岛东，鱼雷机队在3300米高度从东南接近中途岛，这样攻击就可以沿着两岛的长轴飞行，确保轰炸取得最佳效果。迎接日军的是美国人密集的高射炮火。第一波炮击在飞机编队的身后爆炸，地面部队很快将瞄准器归零后重新开火。汤普森少尉看见射出的炮弹有一发准确命中目标，那架飞机在空中炸开。他从望远镜中观察到这架飞机脱离编队笔直坠落下去。奇怪的是竟无人跳伞—比较“二”的日军飞行员很多出击时都不带降落伞。一名黑人炊事兵飞奔到飞机残骸跟前，将日军飞行员的尸体从机舱拖了出来。拉姆齐很快也跑了过来，想从死者衣袋里找到一些有价值的东西。此时日军的丨炸丨弹如雨点一般落下，拉姆齐和赛马德双双纵身跃入掩体。
友永和他的队友们很快发现，他们正在穿越由密集炮弹爆炸形成的浓密又恐怖的烟雾。“飞龙”号坂本宪司一等飞曹的鱼雷机率先中弹，掉落在沙岛上端的环礁湖中。请大家稍加留意，现在“飞龙”号的飞机每损失一架，都会对当天晚些时候他们的濒死反击产生重大影响，彼时他们仅仅剩下一条飞行甲板。对于日军飞行员而言，飞过小岛的航程显得格外漫长，但他们还是熬到了投弹时刻。将沉重的丨炸丨弹扔出去之后，鱼雷机立即向上直冲。能够远离岛上的防空火力对他们来说是一种纯粹的快乐。
“苍龙”号的飞行员汇报说“投弹具有完美的命中率”，攻击毁坏了沙岛的高平两用炮组，一座炮台报废并造成了巨大杀伤。“飞龙”号的报告稍显收敛，认为第一组攻击只投中了一颗丨炸丨弹，炸毁了沙岛的一座储油罐，第二组攻击部分破坏了沙岛东部的一座高平两用炮组。第三组攻击覆盖了沙岛的水上飞机和停机坪并将它们破坏。水平轰炸摧毁了码头区和主要贮油区间的输油管路，自此美军飞机的加油作业只能靠人力进行。
攻击机群中最幸运的当属“赤城”和“加贺”号的俯冲轰炸机队。日军鱼雷机和战斗机吸引了美军战斗机的大部分注意力，使得俯冲轰炸机队一路畅通无阻。他们的任务是轰炸东岛的机库和航空设施。俯冲轰炸投下的丨炸丨弹大部分落在二号跑道以北。一颗丨炸丨弹落在一号跑道东端中央，同一条跑道上距东端约500米处被炸出了个大坑。一颗丨炸丨弹落入战斗机中队的弹药补给坑，诱爆了8颗45公斤丨炸丨弹和1万发12.7毫米子丨弹丨，4名维修人员当场阵亡。
要说人家大导演这预备役海军中校还真不是冒牌的，福特准确判断出日军的攻击目标肯定不会漏过机库，于是提前将摄影机对准了那里。他发现敌军“没有轰炸机场本身”，猜想“日本人是想把机场留给当天晚些时候在该机场着陆的日机使用”。日军投下的丨炸丨弹诱爆了机库中的丨炸丨药，整个机库变成了一片废墟。福特的肘部和肩部均被炸伤，纪录片《中途岛之战》中“一块巨大的爆炸碎片直冲摄影机飞过来”的镜头正是导演用自己的鲜血换回来的。一位年轻的陆战队员—估计应该是导演的铁杆粉丝—迅速冲上去替中校包扎伤口，并真诚地告诉他：“别去找那个军医，让我们来照顾你。”可算是逮住接近大名人的机会了。
6时38分，一架俯冲轰炸机投下的丨炸丨弹摧毁了发电站，岛上的供电所和蒸馏水厂陷入瘫痪。可能是莱顿那封假电报换来的报应，这回中途岛真的缺水了。