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6月4日凌晨，日本第一波攻击机群包括36架九三式舰上攻击机、36架九九式舰上轰炸机和36架零式战斗机开始从4艘航空母舰上同时起飞，108架舰载机出发攻击中途岛。
日军侦察机从东、南方向海域进行搜索，因为重巡洋舰“利根”号的2架侦察机因为弹射器故障，起飞时间耽误了半个小时，“筑摩”号的1架侦察机引擎又发生故障，第二波攻击飞机延迟半小时才提到飞行甲板上，这一轮目的是准备迎击美国舰队。
拂晓，中途岛派出的“卡塔林娜”式侦察机幸运地发回发现日军航空母舰的报道，美方立即准备攻击。
美方舰队得到了之前在潜艇上缴获的密码本，破解了日方“JN-25”的通讯密码，但由于日方突然更换密码，而对敌人的计划只大致了解了一部分。
清晨，日方出发的舰载机开始向中途岛发动了猛烈的攻击。驻扎在中途岛的美军战斗机也全部升空，迎击来犯的日本战机。
美军升空的轰炸机，包括了B-17型轰炸机也向日本舰队发动还击。
7时整，第一波攻击机群准备开始返航，并向“赤城”号发出了需要进行第二次攻击的电报。
7时06分，由战斗机、鱼雷机、俯冲轰炸机所组成的117架战机，从第16特混编队“大黄蜂”号及“企业”号升空，在空中季节整理编队后，一路奔向200海里外的日方主力舰队。
7时10分，第一批从中途岛起飞的10架美军鱼雷轰炸机出现在主力舰队的上空。美军飞机排成单行，扑向日航空母舰。在日军战斗机的截杀和日舰猛烈的炮火下，很快就击落了7架。侦察机的报告和美机的攻击情况说明中途岛的防御力量还很强，于是日方决定把原来准备用于对付美舰的一半飞机改为高爆弹，准备对中途岛进行第二次轰炸。
此时，日方仍然没有发现美军舰队。
7时15分，“赤城”号和“加贺”号将甲板上一半已经装好鱼雷的飞机送下机库，卸下鱼雷换装对地攻击的高爆炸弹。
7时30分，推迟半小时起飞的“利根”号侦察机发来的电报，距中途岛约240海里的海面发现10艘美国军舰。
侦察机继续查明敌人舰队是否拥有航空母舰，“赤城”号没有取消对鱼雷机的换弹，就在等待侦察机的侦察结果时，空中再次响起了警报。
40余架从中途岛起飞的美军B-17轰炸机和俯冲轰炸机已经浩浩荡荡扑向第一航空母舰部队。由于美军的轰炸机没有战斗机护航，结果很快的就被日方派出的零式战斗机击退。
8时15分，日方终于接到了侦察机传来的报告：美军舰队里确实有航母的存在。但日方没有出击。如果马上发动进攻，也没有战斗机护航，落得像刚才美方的40余架B-17轰炸机和俯冲轰炸机一个同样的结果，各舰继续装高爆弹。
8时37分，空袭中途岛的第一波攻击机群返航飞抵日本舰队的上空。还有那些保护航空母舰的战斗机也需要降落加油，返航的飞机开始相继开始降落在四艘航空母舰飞行甲板上，飞机只能在甲板上定位后暖机，造成航空作业至少比美军多15分钟，这是一个致命的弱点。
8时40分，15海里以外的第17特混编队的“约克城”号航空母舰上起飞了35架战机。
9时00分，战斗机的加油装弹作业完毕和鱼雷的更换几乎同时完毕，神威命令舰队以30节的航速向东北航行，向美军特混舰队靠近，以避开再来攻击的中途岛方面美机，准备全力进攻美军特混舰队，第二批出动了36架俯冲轰炸机，15架鱼雷机和12架战斗机。飞机提上甲板在升降机的运作在陆续起飞，向情报中的美方航母大致方向袭去。
9点18分，最后一架飞机已从“加贺”号上起飞。
9时20分，掩护日本舰队的零式战斗机开始起飞。
9时25分，一队由“大黄蜂”号起飞的15架“复仇者”式鱼雷轰炸机组成的编队发现了第一航空母舰部队。不幸的是，他们的燃油即将耗尽，而且没有战斗机护航，由于通讯受到干扰，原本应该投入支援的VF-6没有接到求援命令。在自杀式攻击中，被零式战斗机和高射炮火全部击落，30名飞行员只剩1人其余全部遇难。
9时30分，从“约克城”号起飞的28架美军战机陆续尾随而来这些飞机隶属于VT-6编队，向“苍龙”和“飞龙”号发起攻击。然而在攻击第一航空母舰部队的时候遭到重创，损失了20架鱼雷轰炸机，美机所投鱼雷竟全没有击中。
9时37分，接到“利根”侦察机30分时发送的电报：
“燃料不足，需要返航。”
10时00分，“苍龙”号的十三式侦察机按“利根”号侦察机报告的正确方位，找到了美国航母。
10时10分，来自“约克城”号的第3俯冲轰炸机中队开始攻击“飞龙”号，为了掩护6架TBD蹂躏者鱼雷轰炸机，第一次采用“萨奇剪”战术面对15架零式战机，尽管战果可观，损失1架，击落5架零式战机，但是12架F4F野猫战斗机中有10架被击落，剩下的最后也都在海上迫降了。射向“飞龙”号的5条鱼雷只命中了1条。
10时20分，由于美军的攻击，飞机甲板开始执行给护航的零式战斗机加油加弹作业，紧急地准备反击措施。
命运的5分钟，正当日军战斗机在低空忙着驱赶美军鱼雷机时，第一航空母舰部队的上空出现了33架从企业号起飞的无畏式俯冲轰炸机。
20分钟前，企业号起飞的无畏式俯冲轰炸机编队即将放弃搜索的时候，发现了为防止美军“鹦鹉螺”号潜艇上浮而留在原地的“岚”号驱逐舰，并通过这艘驱逐舰航向找到了日军航母。
日方的2艘战列舰和6艘重巡洋舰此刻防空火力全开，但日舰正在掉头转到迎风的方向，在极易受攻击的境地，停放的零式战斗机还在进行暖机工作。航母进行转向规避，影响了航空作业的时间。
10时24分，第一架换班的防空日本战斗机飞离飞行甲板时，企业号的33架“无畏”式俯冲轰炸机，分成2个中队分别攻击“赤城”号航空母舰和“加贺”号航空母舰，攻击“加贺”号的二队轰炸机有三枚1000磅炸弹中，第一枚和第三枚分别近失，而投下的第二枚炸弹砸穿了“加贺”号的飞行甲板并引爆了弹药，舰上还有三分之二未起飞的战斗机随着爆炸的火光一起沉没，这一举动创造一个一发炸弹击沉航母的战绩。在爆炸前，“赤城”号也只来得及起飞一半用于回击的零式战机。
有11架来袭的轰炸机已被密布的防空网击毁坠海，战斗机分别与21架轰炸机周旋，在“加贺号”号重创无力回天之后，果断集中攻击“赤城”号上的俯冲轰炸机。16架击落。
“赤城”号因为提前搬空了机库，即使身中4弹也没有沉没。其余5架投完炸弹后迅速离开现场，“赤城”号开始紧急灭火抢修作业。
随后赶来的17架从“约克城”号航空母舰上起飞的“无畏”式俯冲轰炸机专门攻击“苍龙”号航空母舰。“苍龙”号的舰爆轰炸机队还没有提升到甲板上，航母就被摧毁了，只击落了9架轰炸机。
海面上，日军的三艘航空母舰刹那间火光直冲云霄，短短的5分钟，日本两艘航空母舰被彻底炸毁了，而“赤城”号在密布的防空网下暂时逃过了一劫。
10点30分，第二批出发的36架俯冲轰炸机，15架鱼雷机和12架战斗机，发现“大黄蜂”号和“企业”号所在美军特混舰队，朝着防空网薄弱的部位开始俯冲，“大黄蜂”、“企业”号航空母舰只能紧急出发25架战斗机进行拦截；击落了20架俯冲轰战机，10架鱼雷机，7架战斗机，而投下去的12枚1000磅炸药有4个击中了“大黄蜂”号，其中有两枚近失，一枚击中升降机处，一枚则击穿打中了机库。
有3枚击中了“企业”号，两枚近失，一枚击中甲板。发射的10条鱼雷有两枚命中了“大黄蜂”号，导致锅炉舱有两处进水，一枚命中了“企业”号。“大黄蜂”正在位于沉没的边缘，满身伤痕，火光冲天。损失了10架野猫式战斗机。
10时40分，接替指挥空中作战的日第2航空战队发动反击，18架由“九九”式俯冲轰炸机和6架零式战机组成的攻击编队从“飞龙”号航空母舰起飞。飞向目标途中，发现了一批正在返航的美军轰炸机，便悄悄地尾随。就因如此，日机成功地找到了“约克城”号，并立即发动攻击。3颗炸弹命中“约克城”号，虽然遭到破坏，但是在美军船员的极力抢修下，还是恢复了航行功能。
11点00分，美军特混舰队重新集结了编队，搜寻无果而归航的“大黄蜂”号35架无畏式俯冲轰炸机降落在了“企业”号上。
11点10分，“企业”号1支SBD侦察机小队返航。
11时30分，第一航空母舰部队开始集合残余的舰队，出动的护航零式战斗机有的油箱空空掉进了海里，有的幸运在灭火过后残破的“赤城号”甲板上降落，补充机油和弹药。
13时40分，10架日军“九七”式鱼雷攻击机和6架零式战斗机又从“飞龙”号飞来，对受伤的“约克城”号再次发起了攻击。“约克城”号这次就没那么幸运，被两枚鱼雷击中，左舷附近掀开两个大洞，并把舰舵给轧住了，无法继续航行。
14时45分，美军侦察机发现日军“飞龙”号航空母舰，“企业”号航空母舰的30架“无畏”式俯冲轰炸机立即起飞，去攻击“飞龙”号。
15时00分，美军“约克城号”弃舰。然而，它却并没有沉没，于是美军又回到舰上，试图由拖船拖向珍珠港。
16时45分，美军“企业”号航空母舰的俯冲轰炸机成功地攻击了日军剩下的“飞龙”号。飞龙号当即命中4弹，船上一片火海。
19时13分，“加贺”号沉没。
19时34分，“大黄蜂”号沉没。
20时30分，伊168号潜艇在23时开始对中途岛的机场炮击，并通知说后面会有第七战队加入炮击。
22时50分，第一航空母舰部队发来报告：“敌人还有航母两艘，我方航母只剩1艘。”
1942年6月5日2时55分，日本联合舰队接受了集中全部舰船在白天轰炸并登陆中途岛的挽回败局的方案，下令：
“继续中途岛的占领行动”。
3时50分，第一航空母舰部队收到击沉“飞龙”号的命令。
5时00分，抢救失败的“苍龙”号航空母舰被日军“舞风”号、“萩风”号、“野分”号和“岚”号驱逐舰发射的鱼雷击沉。
5时10分，无法挽救的“飞龙”号航空母舰被日军驱逐舰发射的鱼雷击沉。部分被大火困为船舱底部的船员从鱼雷击穿的洞口逃生获救。
此日，美军派出多波战机追击日军军舰，但因为大雾天气都没有发现山本的主力舰队。“企业”号进行了紧急抢修，情况有所好转。剩余返航的18架鱼雷机返航到了中途岛。
5时30分，逐渐靠近中途岛的主力舰队的“瑞凤”轻型航空母舰和第一航空母舰部队“赤城”号航空母舰起飞了10架侦察机搜索中途岛的防空工事。
5点45分，第一波作战的30架“九九”式俯冲轰炸机，15架零式战斗机，10架“九七”式鱼雷机陆续从两艘航空母舰上起飞，为侵入部队的正常登陆提供了充足的火力掩护。
6点00分，负责巡逻的“亚特兰大”号轻巡洋舰发现一架日方侦察机立刻向中途岛汇报。
6点05分，中途岛开始进行的岛上战斗机暖机工作。
6点10分，日方侦察机发来情报，意外发现在中途岛附近的美方特混编队。10架俯冲轰炸机，5架战斗机和10架鱼雷机调转到美方特混编队的方向。
6点20分，中途岛拉响了防空警报，30架战斗机紧急起飞拦截。吸取了前一次的经验，“赤城”号上来的轰炸机能够准确地找到的地面机库，里面停泊的一部分的轰炸机还没有出库上跑道，就随着满载的炸弹一并摧毁了，机场在紧急的飞机起飞过程中已是满目疮痍，最后飞出去的只有26架战斗机。“北安普敦”、“彭萨科拉”两艘重型巡洋舰和岛上的防空机炮展开了防空网。
“菲尔普斯”、“沃尔登”号驱逐舰担当“企业”号的护航，“新奥尔良”、“明尼阿波利斯”重型巡洋舰则负责构建“企业”号的防空网。
6点20分，“企业”号起飞1支SBD侦察机小队，用追踪来袭飞机返航的方向。
6点25分，“企业”号上起飞的40架“无畏”式俯冲轰炸机。
6点32分，SBD侦察机小队发现日方侵入部队的12艘运兵船和4艘重型巡洋舰，中途岛则用上全部士兵和全部工程设备来补填坑坑洼洼的机场。
6点40分，从中途岛紧急起飞剩余机库中的20架SBD无畏式俯冲轰炸机分成两队，一队向来袭的12艘运兵船飞去，但没有空余的战斗机护航。
日方“爱宕”号、“鸟海”号、“妙高”号、“羽黑”号组成了密集的防空网，对准来袭的20架俯冲轰战机。10枚1000磅的炸药炸毁了6艘运兵船，四枚落空。另一队向开火的4艘重型巡洋舰飞去，投下的8枚1000磅炸药，有两枚击中了“爱宕”号，三枚击中了“妙高”号，三枚落空。其中一枚击中了“爱宕”号弹药库发生了殉爆，瞬间升起了几十米的火柱。
“妙黑号”船舱破了两个大洞，海水随之涌入，水位下沉严重，面临着倾覆的可能。击毁14架来袭的俯冲轰炸机，有四架被击落的轰炸机调整方向直接撞击向4艘巡洋舰，“鸟海”号避让不及，有三架撞在“鸟海”号，一架撞在“羽黑”号。“鸟海”号重创，发生大火，火势迅速蔓延，最后失去了动力。
6点40分，10架俯冲轰炸机，5架战斗机和10架鱼雷机调已经到达美方特混编队上空，“企业”号紧急起飞最后的11架F4F野猫战斗机，用于构建反击网拦截敌机，“新奥尔良”、“明尼阿波利斯”重型巡洋舰火力全开，剩下只有拼时间了。
一共投下了7枚鱼雷和8颗1000磅的炸弹，有2枚鱼雷击中，左舷撕开了两个口子，2颗1000磅的炸弹击中造成了严重破坏，但，还没有沉没，8架俯冲轰炸机坠毁，5架零式全部坠毁，8架鱼雷机坠毁，剩下的2架俯冲轰炸机撞在了“企业”号上，左舷也破开了两个大口子，一架鱼雷机被防空炮击毁，一架鱼雷机又一次从正面撞击在“企业”号上，海面上飘满了了残骸，“企业”号在熊熊烈火中缓缓沉没。
6点44分，SBD侦察机小队发现日方主力舰队和第一航空母舰部队，更新了40架“无畏”式俯冲轰炸机的航向。
6点53分，15架TBD蹂躏者鱼雷轰炸机从中途岛机场起飞，15架鱼雷机根据SBD侦察机小队报告的方向朝着主力舰队的方向飞去。
“企业”号的40架俯冲轰炸机直接略过侵入部队，它们的目标是日方主力部队和残余的第一航空母舰部队。与入侵轰炸机作战的10架战斗机选择跟上充当护航工作。
6点54分主力部队的“熊野”号、“铃谷”号、“三隈”号、“最上”号四艘重巡洋舰已经发现并瞄准来袭的40架俯冲轰炸机和10架战斗机，“大和”号、“长门”号、“陆奥”号战列舰火力全开拉起了密密的防空网。密集的弹雨炮火向它们袭来。“赤城”号上起飞了剩余的10架零式战斗机，“瑞凤”上剩下的15架水上飞机也陆续起飞。
侵入部队的“金刚”号、“比睿”号战列舰已经到达有效射击范围，开始炮轰岸上的防御工事，方便剩下的运兵船登陆。
轰炸机分为两队，一队25架轰炸机5架战斗机负责击毁主力舰队的旗舰“大和”号，二队15架轰炸机5架战斗机则攻击“赤城”号、“瑞凤”号航空母舰，投下的32枚800磅的炸药，有16枚击中“大和”号，4枚命中“赤城”号，3枚命中“凤翔号”九枚落空。有8架飞机还没来得及投弹便在空中击毁，爆炸的火光，飞洒的残骸，点点黑云，震耳欲聋的爆炸声相互交错。
“大和”号急速规避来袭的炸弹，但还是被11枚800磅的炸弹击中，前甲板两个460毫米三联装主炮炮台被摧毁，后甲板的460毫米三联装主炮保持运转，一台蒸汽轮机失去运转，4台锅炉炸毁。被炮弹击碎的14架俯冲轰炸机直接坠落在海面。
7点15分第二轮的15架TBD蹂躏者鱼雷轰炸机已经到达主力舰队上空，航速下降的“大和”号战列舰并不能快速驶离现场，剩余3架中弹的俯冲轰战机急速向“大和”号冲去选择“自杀式袭击”，1架被防空炮残酷地撕碎，但迎面而来的2架直接撞击到上甲板和炸开的一侧破洞，又一台锅炉炸毁。
保持16节航速的庞然大物成为了15架鱼雷轰炸机意志的目标，两架被防空炮撕碎，投下的13枚鱼雷急速从“大和”号两侧袭来，11架鱼雷轰炸机纷纷中弹坠毁，两架鱼雷轰炸机继续选择“自杀式袭击”，只有一架撞击到了另一侧。伤痕累累的“大和”号还是不屈地进行规避，但还是中了9枚鱼雷，爆炸发出的巨大火光在海面上连续腾起，一代“海上霸主”已无力回天。
“赤城”号不仅被三枚800磅的炸弹击中同样受到了3架俯冲轰炸机的“自杀式袭击”，火海一片，新伤加旧伤，船舱进水十分严重的它也随之沉没。
7点50分“赤城”号沉没。
8点20分“企业”号沉没。
8点33分“大和”号沉没。
“美方获胜条件已达成。”
1942年6月6日3时45分，日军两艘重巡洋舰“最上”号和“三隈”号在浓雾中转向时互撞，“最上”号重创，“三隈”号及另两艘驱逐舰留下护航。
6月6日，日军登陆兵在基斯卡（1250人），7日在阿图岛（1200人）先后登陆，未遇抵抗即占领两岛，完成了占领阿留申群岛。
8时05分，中途岛起飞的12架陆战队轰炸机追击“三隈”号及“最上”号。“三隈”号遭到击沉，而重伤的“最上”号则最后逃过美军轰炸，返回特鲁克岛基地。美军接着试图追击早在数小时前沉没的“飞龙”号，不过只找到“谷风”号驱逐舰。但是，双方并无任何战果。
美军特混舰队撤离战场。
1942年6月7日13时00分，日军伊-168号潜艇发现了“约克城”号，随即发射4条鱼雷，2条命中约克城号，1条命中护航的“哈曼”号驱逐舰，“哈曼”号驱逐舰随即沉没，“约克城”号一直飘浮到第二天中午才沉入海底。
被攻击同时，美军其它6艘驱逐舰曾试图反击伊-168号，但伊-168号最终安全撤离。
中途岛之战宣告结束。