6月4日凌晨
日本第一攻擊波機羣36架俯衝轟炸機、36架水平轟炸機和36架零式戰鬥機開始從4艘航空母艦上同時起飛，108架艦載機在永友文市海軍大尉的率領下出發攻擊中途島。南雲中將命令偵察機搜索東、南方向海域，第二攻擊波飛機提到飛行甲板上，準備迎擊美國艦隊。但是重巡洋艦利根號的2架偵察機因爲彈射器故障，起飛時間耽誤了半個小時，築摩號的1架偵察機引擎又發生故障中途返航(這架飛機本應該正好搜索美國特混艦隊上空)，給日本艦隊埋下禍根。
6月4日拂曉
中途島派出的“卡塔林娜”式偵察機發回發現日軍航空母艦的報道，斯普魯恩斯少將立即做出反應，準備攻擊日軍航母(其實法蘭克·弗萊徹海軍少將是這次行動的總指揮，但是斯普魯恩斯首先發動空襲)。美國艦隊因爲已經破解了日本海軍“JN-25”的通訊密碼，而對敵人的計劃瞭如指掌。
6月4日清晨
日本艦載機向中途島發動了猛烈的攻擊。駐紮在中途島的美軍戰鬥機也全部升空，迎擊來犯的日本戰機。美軍的轟炸機，包括了B-17型轟炸機也向日本艦隊發動還擊。
7時整
友永丈市大尉率第一攻擊波機羣準備開始返航，並向南雲中將發出了需要進行第二次攻擊的電報。
7時06分
由戰鬥機、魚雷機、俯衝轟炸機所組成的117架戰機，從斯普魯恩斯少將所率領的第16特混編隊大黃蜂號及企業號升空，奔向200海里外的南雲艦隊。8時40分，15海里以外的弗萊徹少將率領的第17特混編隊約克城號起飛了35架戰機。
7時10分
首批從中途島起飛的10架美軍魚雷轟炸機出現在南雲艦隊的上空。美軍飛機排成單行，撲向日航空母艦。在日軍戰鬥機的截殺和日艦猛烈的炮火下，很快就擊落了7架。友永的報告和美機的攻擊，使南雲中將相信中途島的防禦力量還很強，於是決定把原來準備用於對付美艦的飛機改爲對中途島進行第二次轟炸。此時，他仍然沒有發現美軍艦隊。
7時15分
南雲下令赤城號和加賀號將在甲板上已經裝好魚雷的飛機送下機庫，卸下魚雷換裝對地攻擊的高爆炸彈。
7時30分
南雲接到利根號推遲半小時起飛的一架偵察機發來的電報，距中途島約240海里的海面發現10艘美國軍艦。南雲命該偵察機繼續查明敵人艦隊是否擁有航空母艦，同時命令暫停對魚雷機的換彈。就在南雲等待偵察機的偵察結果時，空中再次響起了警報。40餘架從中途島起飛的美軍B-17轟炸機和俯衝轟炸機撲向南雲的艦隊。由於美軍的轟炸機沒有戰鬥機護航，結果很快的就被南雲派出的零式戰鬥機擊退。
8時15分
南雲終於接到了偵察機傳來的報告：美軍艦隊裏確實有航母的存在。南雲下令各艦停止裝炸彈，飛機再次送回機庫重新改裝魚雷，日本航空母艦的甲板上一片混亂，爲了爭取時間，卸下的炸彈，都堆放在甲板上。
8時30分
空襲中途島的第一攻擊波機羣返航飛抵日本艦隊的上空。還有那些保護航空母艦的戰鬥機也需要降落加油。南雲處於進退維谷的境地。第二航空母艦戰隊司令山口海軍少將向南雲建議“立即命令攻擊部隊起飛”。第二批突擊飛機換裝魚雷還沒有完成，如果馬上發動進攻，也沒有戰鬥機護航。而且艦上的跑道被起飛的飛機佔用，那麼油箱空空的第一攻擊波機羣會掉進海里。南雲決定把攻擊時間推遲，首先收回空襲中途島和攔截美軍轟炸機的飛機，然後重新組織部隊以進攻美軍特混艦隊。
8時37分，返航的飛機開始相繼降落在四艘航空母艦飛行甲板上。
9時18分
全部飛機的作業完畢。南雲命令艦隊以30節的航速向北航行，以避開再來攻擊的美機，準備全力進攻美軍特混艦隊。
9時20分，掩護日本艦隊的戰鬥機開始起飛。
9時25分
一隊由大黃蜂號起飛的15架“復仇者”式魚雷轟炸機組成的編隊發現了南雲艦隊。不幸的是，他們的燃油即將耗盡，而且沒有戰鬥機護航。在自殺式攻擊中，被零式戰鬥機和高射炮火全部擊落，30名飛行員除1人生還外全部遇難。
9時30分
從企業號、約克城號起飛的28架美軍戰機陸續尾隨而來，向蒼龍號和飛龍號展開攻擊。然而在攻擊南雲艦隊的時候遭到重創，損失了20架魚雷轟炸機，美機所投魚雷竟無一命中。
10時20分，由美軍的攻擊飛機甲板開始執行給護航的零式戰鬥機加油加彈作業，無法準備反擊波(最新歷史資料糾正所謂的命運5分鐘)。正當日軍戰鬥機在低空忙着驅趕美軍魚雷機時，南雲艦隊的上空出現了33架由克拉倫斯·麥克拉斯基少校率領從企業號起飛的無畏式俯衝轟炸機。此時，日艦正在掉頭轉到迎風的方向，處於極易受攻擊的境地，只停放着幾架零式戰鬥機
10時24分，第一架換班的防空日本戰鬥機飛離飛行甲板時。企業號的33架“無畏”式俯衝轟炸機，分成2箇中隊分別攻擊赤城號航空母艦和加賀號航空母艦(此時該幾艦沒有做好放飛攻擊編隊的準備)，接踵而來的是17架從約克城號航空母艦上起飛的“無畏”式俯衝轟炸機則專門攻擊蒼龍號航空母艦。日軍的3艘航空母艦剎那間變成了三團火球，堆放在機庫裏的飛機以及燃料和彈藥引起大爆炸，火光直衝雲霄，短短的5分鐘，日本三艘航空母艦被徹底炸燬了。
10時40分，接替指揮空中作戰的日第2航空戰隊司令官山口多聞少將發動反擊，18架由“九九”式俯衝轟炸機和6架零式戰鬥機組成的攻擊編隊從飛龍號航空母艦起飛。飛向目標途中，發現了一批正在返航的美軍轟炸機，便悄悄的尾隨。就因如此，日機成功的找到了約克城號，並立即發動攻擊。3顆炸彈命中約克城號，雖然遭到破壞，但是在美軍船員的極力搶修下，恢復了航行功能。
11點30分，南雲中將及其幕僚轉移到了長良號巡洋艦，開始集合殘餘的艦隊。
13時40分，10架日軍“九七”式魚雷攻擊機和6架“零”式戰鬥機又從飛龍號飛來，對受傷的約克城號發起了第二次攻擊(日方由友永指揮)。約克城號這次就沒那麼幸運，被兩枚魚雷擊中，左舷附近掀開兩個大洞，並把艦舵給軋住了。弗萊徹少將被迫轉移到巡洋艦，將指揮權移交給斯普魯恩斯少將。
14時45分，美軍偵察機發現日軍飛龍號航空母艦，斯普魯恩斯立即命令企業號、大黃蜂號航空母艦的30架“無畏”式俯衝轟炸機起飛，去攻擊飛龍號。
15時00分，美軍約克城號的艦長巴克馬斯特被迫下令棄艦。然而，它卻並沒有沉沒，於是美軍又回到該艦上，試圖由拖船拖向珍珠港。
16時45分，美軍企業號航空母艦的俯衝轟炸機成功地攻擊了日軍剩下的飛龍號。飛龍號當即命中4彈，船上一片火海。山口司令官和艦長加來止男隨艦葬身大海。
6月4日晚19時，已經被摧毀的日軍蒼龍號、加賀號航空母艦先後沉沒。
6月5日2時55分，日本聯合艦隊司令山本五十六大將否決了其首席參謀黑島大佐提出的集中全部艦隻在白天轟炸並登陸中途島的挽回敗局的方案，下令：“取消中途島的佔領行動。”並表示“所有責任由我一個人來擔當，我回去向天皇陛下請罪。” 他把自己關進會客室，一連三天拒絕會見部下。6月5日夜間，日軍兩艘重巡洋艦最上號和三隈號在濃霧中轉向時互撞，最上號重創，三偎號留下陪伴左右。
3時50分，日軍被迫放棄被摧毀的赤城號航空母艦，爲了避免航空母艦落入敵手，山本命令野分號驅逐艦發射魚雷將其擊沉。
5時10分，無法挽救的飛龍號航空母艦被日軍驅逐艦發射的魚雷擊沉。
6月5日天亮，美軍飛機一波又一波的轟炸負傷的日軍巡洋艦三隈號、最上號。三偎號葬身海底，而重傷的最上號反而逃過大難，掙扎着回到特魯克的基地。攻擊結束以後，美軍特混艦隊隨即撤離戰場。
13時00分，日軍I-168號潛艇發現了約克城號，隨即發射4條魚雷，2條命中約克城號，1條命中護航的哈曼號(DD-142 USS Hammann)驅逐艦，兩艦相繼沉沒。
中途島之戰終於宣告結束。
