中途岛位于珍珠港西北余海里处，面积4.7万平方公里，是夏威夷群岛的西北门户和前哨屏障，它因处于亚洲和北美之间的太平洋航路中间，故名中途岛。太平洋战争爆发时，它是美国的海军航空站。日军早就企图占领中途岛，以此作为日本海军航空兵前进的跳板，同时想诱出美国太平洋舰队进行决战，并加以歼灭。日军的如意算盘是∶分兵两路同时向阿留申群岛和中途岛进犯，迫使美国舰队分散力量。而日军则以主力向中途岛隐蔽接近，突然占领该岛，并歼灭前来增援的美国太平洋舰队。
年5月，整个日本海军还沉浸在珍珠港之战胜利的狂喜中，一个个盲目骄傲自大，没有人预感到灾难即将临头。有一个水上机队，甚至在出发前毫无顾忌地发出一份电报通知说∶"6月中旬以后，凡寄交本队的邮件，收件地址一律写中途岛"。也许正是这种盲目自大在捉弄日本海军大将山本五十六，他的整个作战部署，竟一直采用旧的密码通信进行传递，尽管海军军令部在舰队起程驶往中途岛之前的5月1日，决定改变密码，但由于一直忙于组织协调中途岛的作战行动，根本没来得及去顾及如何使用新密码和分发密码册的问题，以致把使用新密码的日期，从原定的5月1日推迟到6月1日。
这一疏忽帮了美军的大忙，美国海军的密码破译小组通过早先从海底捞起来的日军旧密码，破译了日军电报，完全掌握了日军进攻中途岛的具体细节和时间，决心不惜一切代价，在中途岛与日本联合舰队决一死战。
然而，与日军决战，又谈何容易!因为这时的日本海军力量太强大，美国不是其对手。以航空母舰为例，日本有10艘，而美国只有"企业"号和"大黄蜂"号两艘，以及在珊瑚海作战后伤痕累累的"约克城"号。战列舰、巡洋舰方面，美国无论在性能上，还是在数量上，都无法与日本匹敌。
但这一仗又必须打，不能再重演珍珠港的悲剧。美军不敢有丝毫怠慢，开始了紧张的战斗准备。美国太平洋舰队司令尼米兹海军上将亲临中途岛视察鼓劲，增加中途岛的飞机和守备部队。他在中途岛以西的海上布置了3条弧形潜艇警戒线，将参战的3艘航空母舰、23艘其他战舰、架舰载飞机编为两个特混舰队。同时，尼米兹决定采取集中兵力，从侧翼伏击日舰主力的战术，将全部舰只隐蔽集结于中途岛东北海里的海域待机。从6月1日起，美机每日数次从中途岛起飞，在西部海里的海域内进行巡逻。5月28日和30日，美国的两支特混编队从珍珠港出发，于6月2日驶抵中途岛东北指定位置待命。
6月3日上午，日军中途岛进攻编队航行至中途岛以西海里处，被美军巡逻机发现，遭到美机攻击，日舰队仅有一艘油船受伤，仍继续向中途岛航行。
对于美舰的出动和美机的攻击，第一机动编队司令南云却全然不知（因保持无线电静默，知情编队未报告情况），他仍信心十足地按原计划率舰向东行驶。6月4日4时，编队经过海里的航行，抵达中途岛西北海里处，即起飞第一波舰载机架（战斗机、轰炸机、攻击机各36架），向中途岛实施首次突击。
日机在飞抵中途岛上空时，未见机场上有美军飞机，扑了个空，只好对机场和其他军事设施进行了攻击。原来，美潜艇早已侦察到日舰动向，驻中途岛的飞机此时已全部升空，在日机空袭中途岛的同时，也对日舰展开了攻击，但由于日战斗机的猛烈反击和高炮的奋力抗击，美机没有取得预期效果。
7时许，南云因未接到新的敌情报告，于是决定将待机中的第二波飞机卸下鱼雷，改装公斤陆用炸弹，准备对中途岛实施第二次攻击。7时45分，日侦察机报告在中途岛东北方发现美特混舰队，南云只得又改变主意，下令飞机重新改装鱼雷。8时20分，第一波飞机返回舰队上空，要求降落。是立即起飞已经准备好的39架俯冲轰炸机去攻击敌舰编队，还是马上接收油料将尽的第一波飞机?一向谨慎的南云既不敢让俯冲轰炸机单独出击又怕第一波飞机发生坠机事件，只得下令北撤，打算先在北撤途中，接收飞机，补充油、弹，再从容地向美舰发起攻击。由于任务变化快，时间紧迫，地勤人员来不及将卸下的弹药送到弹药库，而只得搁置在甲板上。这时，各舰的甲板上，堆满了飞机、弹药、油管。人行如梭，秩序混乱。
善于捕捉战机的尼米兹在日机空袭中途岛时，就已经下令41架舰载鱼雷机和54架俯冲轰炸机先后起飞，但鱼雷机升空后遭到50余架日战斗机的截击，35架美机被击落，日机动编队安然无恙。
然而，意想不到的事情终于发生了。
10时20分，日军第二波架飞机完成了起飞准备，多数飞机已经发动，刚才大打出手的战斗机已转到编队后方巡逻。10时24分，南云下达起飞命令，"赤城"号上的第一架战斗机呼啸着飞离甲板。有人计算着，再过5分钟，这百余架飞机就可以全部腾空，1小时后，将给美特混舰队以致命打击。
但万万没有想到，就在人们全神贯注地忙于起飞工作时，美俯冲轰炸机突然从云中钻了出来，径直扑向"赤城"号、"加贺"号和"苍龙"号航空母舰。一时惊得目瞪口呆的高炮手还来不及瞄准来袭飞机，两枚重磅炸弹已经穿过"赤城"号甲板爆炸，热浪波及到待飞的飞机和堆放在一旁的炸弹，引起汽油和弹药连续爆炸。几乎同时，"加贺"号和"苍龙"号也中弹数枚，爆炸声震天动地，不绝于耳，烈火浓烟笼罩全舰，舱面人员死伤无数。
连续的大爆炸使航空母舰剧烈震动，灼热的气浪把舰员推倒，救援已经无用，幸存者只得弃舰逃命。在旗舰遭重创，编队一时失去指挥的情况下，位于"飞龙"号上的山口海军少将果断地于10时40分和12时45分分别组织所在舰的40架舰载机起飞，攻袭美特混舰队。日本飞机舍命突袭，再次重创了"约克城"号（该舰5月初在珊瑚海海战中被击伤，此次遭重创后被日本潜艇击沉）。
傍晚，"飞龙"号又遭美机攻击，中弹4枚。不久，伤痕累累的日本4艘航空母舰连同舰上的飞机全部沉入海底。此时，编队中的其他舰船因失去空中掩护和空中进攻能力，已不能继续完成战斗使命，只得调头向西撤退。
由于主攻方向突然损失4艘航空母舰，整个日军舰队的战斗力大大减弱，原来处于绝对优势的日军转眼间变成了劣势，海战的战局急转直下。6月5日3时，山本五十六大将眼看大势已去，胜利无望，不得不下达了总撤退的命令，宣告作战失败。
中途岛海战，日军共损失航空母舰4艘，重巡洋舰1艘，另有重巡洋舰1艘、驱逐舰2艘受重伤，被击落飞机架，死亡余人。而美军仅损失航空母舰1艘、驱逐舰1艘、飞机架，死亡余人。
中途岛海战之后，日本被迫停止了战略上的全面攻势。日本大本营深恐这次失败引起军队慌乱，便严密封锁消息，甚至对海军人员也保密，从沉没舰只上死里逃生的海军人员被集中管理，随舰记者也被禁闭。
中途岛海战，是美军在太平洋战场上取得的第一次决定性胜利，也是太平洋战争的转折点。