日本为中途岛这一主力战，动用：(1)一支先遣潜艇队，在三条警戒线上巡逻，旨在削弱美国海军的对抗手段；(2)近藤海军大将指挥的一支入侵军，计十二艘有护航的运输舰，载有五千名士兵，另有四艘重型巡洋舰在附近接应，还有两艘战列舰、一艘轻型航空母舰和四艘重型巡洋舰组成的一支舰队在较远处掩护；(3)南云指挥的第一航空母舰舰队，由四艘舰队航空母舰组成，载有二百五十多架飞机，有两艘战列舰、两艘重型巡洋舰和一支驱逐舰屏护部队护送；(4)山本指挥的主力舰队，计有三艘战列舰，加上一支驱逐舰屏护部队，还有一艘轻型航空母舰。战列舰中有一艘是最近建造的七万吨级巨舰“大和号”，装有九门十八英寸大炮。
日军为阿留申群岛一战调配：(1)一支入侵军，由三艘有护航的运输舰组成，载有二千四百名士兵，外加两艘重型巡洋舰组成的火力支援舰群；(2)一支两艘轻型航空母舰组成的航空母舰舰队；(3)一支四艘旧战列舰组成的掩护部队。
这一战规定在阿留申群岛展开，6月3日先向荷兰港空袭，6日再分三处登陆。与此同时，南云的航空母舰飞机要在4日袭击中途岛机场，次日占领六十英里以西的库雷环礁，以作水上飞机的基地。6日，巡洋舰炮轰中途岛，然后部队登陆，这次入侵由近藤的战列舰掩护。
日军料想，在登陆之前，中途岛地区不会有美国军舰，他们希望，美国太平洋舰队一听到空袭阿留申群岛的消息，便会向北赶去。这样他们就能使美国太平洋舰队陷入他们两支航空母舰舰队的夹攻之中。但在追求摧毁美国航空母舰这一战略目标时，日军却受战术部署的牵制而处于不利地位。
6月初月光好，山本不愿等到“瑞鹤号”补充了珊瑚海上损失的飞机，可以增援其他航空母舰之后再动手。至于那八艘可动用的航空母舰，两艘已派往阿留申群岛，另外两艘正伴随着战列舰特混群。另一方面，舰队的行动受到慢速度运兵船的牵制。再者，如果日本的主要目标是摧毁美国航空母舰，而不仅仅是占领中途岛，那就很难理解分兵去阿留申群岛的必要性。最糟糕的是，日本自找麻烦，竟然在一个固定的时间去占领一个固定的地点，这样就丧失了战略上的灵活性。
在美国方面，尼米兹海军上将主要忧虑的是，日本兵力占上风。自从珍珠港罹灾以来，他手里已经不剩战列舰，而在珊瑚海海战之后，可投入作战的航空母舰只有“企业号”和“大黄蜂号”两艘。但是经过一番惊人的努力，原来估计要九十天才能修好的“约克敦号”在两天之内就已修复，这样航空母舰就增加到三艘。
尼米兹有一大有利条件可以弥补不足，那就是，他在获取情报的方法和情报的供应方面都占优势。那三艘美国航空母舰及其二百三十三架飞机停泊处正好在中途岛以北，既不会被日本侦察机发现，而又能依靠以中途岛为基地的卡塔林纳式远程飞机及早获知日军动态。所以他们希望从翼侧进攻日军舰队。6月3日，就是那三艘航空母舰进驻阵地后一天，侦察机发现日本运输舰在中途岛以西六百英里的地方缓慢前进。日机搜索飞行式中的空隙，使美国航空母舰能够不被觉察地从东北靠近。其所以能如此，也是多亏山本和南云都认为美国太平洋舰队不会在海上。
6月4日清晨，南云派出一百零八架飞机袭击中途岛；另一批同样数量的飞机正准备去空袭发现到的美国军舰。第一批日机使中途岛上的设施受到严重破坏，日机损失很小，但是报告南云说，还需要第二次空袭。由于他自己的航空母舰正遭到来自中途岛的飞机轰炸，他认为还需要摧毁岛上的机场，所以命令第二批飞机不用鱼雷而改用炸弹炸毁机场，因为还没有发现美国航空母舰的踪迹。
不久后，据报告说，大约在二百英里外有一群美国舰艇，虽然开头认为只是些巡洋舰和驱逐舰。可是，8时20分传来较准确的报告，说这群舰艇中还有一艘航空母舰。对南云来说，这是个尴尬时刻，因为当时他的鱼雷轰炸机已大都装上炸弹，而他的战斗机大都在巡逻。他还得检修第一批空袭中途岛返航的飞机。
虽然如此，南云一得到消息就改向东北航行，这样他才逃脱美国航空母舰派出的第一批俯冲轰炸机的袭击。一连三批速度较慢的飞机——鱼雷轰炸机，在9时30分至10时24分之间袭击日本航空母舰时，动用的四十一架飞机中有三十五架被日本战斗机或高射炮击落。当时日军还以为已经打赢这一仗。
但是，两分钟后，克拉伦斯·麦克拉斯基海军少校(指挥的“企业号”飞出三十七架美国俯冲轰炸机，从一万九千英尺高空飞扑下来；如此出其不意，以致没有遇到任何抵抗。刚刚打落第三批美国鱼雷轰炸机的日本战斗机都来不及上升回击。南云的旗舰、航空母舰“赤城号”中了炸弹，正在换装射弹的飞机被炸中，引起许多鱼雷爆炸，船员只得弃舰。航空母舰“加贺号”中了炸弹，驾驶台被炸毁，全舰起火，到晚间终于沉没。航空母舰“苍龙号”连中三次半吨重炸弹，都是当时已到场的“约克敦号”的俯冲轰炸机投下的，不出二十分钟就被离弃。
唯有舰队航空母舰“飞龙号”仍旧安然无恙，在下午向“约克敦号”回击，“约克敦号”在珊瑚海战中受伤，经过仓卒修理而未复元，这次被打得遍体鳞伤，只得离弃。但是，二十四架美国俯冲轰炸机，包括“约克敦号”上的十架，在傍晚时赶上“飞龙号”，“飞龙号”受重创，在5日凌晨被迫离弃，到上午九时沉没。
6月4日这一战是海军史上成败瞬息万变的一战，而且也表明，以远程海空行动展开的新式战争是“胜负莫测”的。
山本海军大将一听到他手下的航空母舰舰队遭到惨败的消息，首先就是集合他的战列舰，同时还从阿留申群岛调回两艘轻型航空母舰——他仍旧希望再打一场老式海战来挽回颓势。但是，后来又得到“飞龙号”损失的消息和南云的悲观报告，他就改变了主意。5日清晨，山本决定停攻中途岛。他仍旧希望向西撤退，俾使美军陷入圈套，可是，在这场决战中指挥“企业号”和“大黄蜂号”这两艘美国航空母舰的雷蒙·斯普鲁恩斯海军上将，他既大胆又心细，两者配合得恰到好处，终于使山本的希望落空。
日本一旦失去那四艘舰队航空母舰和训练有素的空军人员，在战列舰和巡洋舰方面虽仍占优势，但也无足轻重。那些军舰只敢开到其岸基飞机能掩护的地区，而日本长期争夺瓜达尔卡纳尔岛所以遭到失败，主要是因为缺乏制空权。中途岛之战给予美军一个非常宝贵的喘息时间，直到那年年底新的“埃塞克斯号”级舰队航空母舰开始服役为止。因而可以据理断言，中途岛之战是导致日本最后灭亡的转折点。