Ямамото разделил свои силы на 3 группы. Главные силы состояли из 6 линкоров, 3 крейсеров, эскадры эсминцев и лично Ямамото. Ударное соединение состояло из авианосцев «Акаги», «Кага», «Сорю», «Хирю» (все — участники налета на Пирл-Харбор) вместе с кораблями охранения. Оккупационное соединение состояло из транспортов, которые сопровождали 2 линкора, 8 крейсеров и эсминцы. Ударные силы, подходящие к атоллу с северо-запада, возглавляли атаку. Оккупационное соединение, вышедшее с Марианских островов, одновременно подходило к Мидуэю с юго-запада. Главные силы, построенные вокруг суперлинкора «Ямато», следовали позади авианосцев. Японские подводные лодки вели разведку впереди этой армады с приказом образовать завесу к западу от Пирл-Харбора и перехватывать любые американские силы, направленные для защиты Мидуэя.

Чтобы запутать американцев, японский флот планировал одновременно нанести удар по Алеутским островам, чтобы отвлечь внимание от главной цели операции — Мидуэя.

Но события развивались не по планам адмирала Ямамото. Нимиц не отреагировал на удар по Алеутским островам, который был нанесен утром 3 июня. В то же самое утро японская армада была обнаружена в 700 милях от Мидуэя разведывательным самолетом. Ночью 3/4 июня японские силы были атакованы самолетами с Мидуэя. На следующее утро патрульная «Каталина» заметила Ударное соединение в 200 милях на северо-запад от Мидуэя. Японские авианосцы уже поднимали ударную волну. Полученная радиограмма заставила подняться в воздух все самолеты, имевшиеся на острове. Звено «Летающих Крепостей», уже находившееся в воздухе, было направлено для атаки японских авианосцев.

Примерно 100 бомбардировщиков и торпедоносцев первой волны в сопровождении истребителей «Зеро» обрушились на остров. Примерно в 30 милях от берега они были встречены небольшой группой истребителей морской пехоты, которые попытались остановить атакующих. Самолеты морской пехоты не могли соперничать с «Зеро». 15 американских истребителей были сбиты, и настал час самого Мидуэя.

Другие самолеты с Мидуэя — флотские торпедоносцы В-26, «Летающие Крепости», пикировщики морской пехоты — были сметены с небес, когда попытались атаковать японские авианосцы. А где же находятся американские авианосцы? Они выжимали из своих машин все, чтобы вовремя прибыть к месту боя. Однако они не могли подойти к Мидуэю раньше, чем на рассвете 4 июня.

Вскоре японский самолет-разведчик заметил на горизонте американские авианосцы. Сразу была отправлена радиограмма, после получения которой «Акаги», «Кага», «Сорю» и «Хирю» повернули на северо-восток, чтобы перехватить американские авианосцы. Японские авианосные самолеты, которые в это время вооружались бомбами для повторного удара по Мидуэю, получили приказ немедленно сменить бомбы на торпеды. Задержка, вызванная перевооружением самолетов, дала преимущество американцам.

Когда японская авианосная группа резко изменила курс, самолеты с «Энтерпрайза» и «Хорнета» уже находились в воздухе. Бомбардировщики «Энтерпрайза» летели на запад, но самолеты «Хорнета» — в направлении ранее сообщенной позиции противника. Они нашли только пустынные океанские воды. Последовали лихорадочные поиски, после которых часть истребителей «Хорнета» упала в воду, израсходовав топливо. Другие совершили вынужденную посадку на Мидуэе. Эскадрильи «Энтерпрайза» тоже начали считать последние капли бензина в быстро пустеющих баках.

Но здесь наступила развязка. Самолеты «Йорктауна», набрав высоту, заметили верткого противника и навели самолеты «Хорнета» и «Энтерпрайза» на цель. По случайному совпадению, японское Ударное соединение было атаковано как раз в тот момент, когда на авианосцах проходило перевооружение самолетов. В 09.20 над японскими авианосцами разгорелся ожесточенный воздушный бой. Все 15 самолетов 8-й торпедоносной эскадрильи «Хорнета», вышедшие в атаку, были сбиты истребителями «Зеро» и зенитными орудиями. Но самолеты «Энтерпрайза» и «Хорнета» прорвались к японским авианосцам сквозь все заслоны.

4 бомбы попали в «Кагу», разнесли на куски его островную надстройку, разворотили полетную палубу. Охваченный пламенем авианосец потерял ход. Затем вспыхнул «Акаги», получивший несколько бомбовых попаданий. Затем «Сорю». Находившийся в отдалении авианосец «Хирю» поджал хвост и улизнул.

В этом воздушном бою погибли 20 самолетов «Энтерпрайза» и «Хорнета», но летчики американского флота при Мидуэе изменили ход войны. Они нанесли японской армаде сокрушительный удар, в считанные минуты уничтожив 3 авианосца.

В то время как «Акаги», «Кага» и «Сорю» из авианосцев превращались в катафалки, находящийся в 200 милях от них «Йорктаун» был атакован 18 японскими пикировщиками в сопровождении 18 истребителей «Зеро». «Йорктаун» обнаружил атакующих с помощью радара, и на перехват была поднята дюжина истребителей. Когда противник приблизился, эсминцы «Моррис», «Андерсон», «Хьюз», «Рассел» и «Хамман», маневрируя вокруг авианосца, открыли плотный зенитный огонь. Крейсера «Астория» и «Портленд» помогали им. Начали стрелять и зенитные батареи самого «Йорктауна». Лишь 8 японских пикировщиков с «Хирю» сумели прорвать огневой заслон. Один из них был сбит в момент выхода в атаку. Другой был подбит зенитками, но успел сбросить бомбу на палубу «Йорктауна». Третий самолет разлетелся на куски прямо над авианосцем. Но затем в «Йорктаун» одна за другой попали 2 бомбы. Одна взорвалась на правом борту. Другая уничтожила элеватор № 1. Однако в ответ были сбиты все 8 атаковавших самолетов.

«Йорктаун» был поврежден, но его аварийные партии вскоре взяли пожары под контроль и начали исправлять повреждения. Через 2 часа авианосец мог дать 20 узлов и даже начал принимать самолеты.

Но тут на экране радара появилась еще одна группа «призраков». На перехват были подняты 6 истребителей «Йорктауна», но японцы уже вышли на дистанцию атаки.

Это были торпедоносцы с «Хирю» — примерно 16 самолетов, сопровождаемые неизменными «Зеро». Они попали под зенитный огонь авианосца и эсминцев. В считанные минуты все 16 торпедоносцев сгорели, словно конфетти в раскаленной топке.

Но перед тем как погибнуть, 4 пилота сумели сбросить торпеды в «Йорктаун». В левый борт авианосца попали 2 торпеды, которые сделали большие пробоины. Сотрясаясь и раскачиваясь от сильных взрывов, корабль накренился и начал описывать циркуляцию. Из трубы повалил белый дым, освещение погасло. Вода хлынула на нижние палубы.

Эсминцы охранения подошли ближе. Аварийные партии «Йорктауна» не смогли справиться с прогрессирующим затоплением. Крен на левый борт увеличился настолько, что появилась опасность опрокидывания. Опасаясь этого, в 14.45 капитан 1 ранга Эллиот Бакмастер приказал команде покинуть корабль. Эсминцы начали подбирать моряков, соскальзывающих в воду с накренившейся палубы.

По случайному совпадению как раз в тот момент, когда поврежденный «Йорктаун» был торпедирован японскими самолетами, выведенный из строя «Сорю» был торпедирован американской подводной лодкой «Наутилус». «Сорю» затонул в сумерках. Вскоре на дно вслед за ним отправился выпотрошенный «Кага». В ту же ночь затонул авианосец «Акаги». И примерно в это же время авианосец «Хирю» тоже отправился в загробный мир.