日本在珊瑚海海战之后的仅仅一个月就已经把中途岛拟定为下一个攻击目标。年5月27日，南云忠一率领机动部队出发。5月30日美*第16特混舰队（“企业”、“大*蜂”）与第17特混舰队（“约克城”）中途岛东北方面的“幸运点”会师，并开始起飞侦察机，寻找日*踪影。
东京时间6月5日1点30分（夏威夷时间6月4日4点30分），日*出发架攻击机（零战、九九舰爆、九七舰攻各36架），3点30分至4点10分之间对中途岛实施空袭，炸毁重油油罐、水上飞机机库、发电站等一系列设施。不过指挥官友永丈市大尉认为炸岛仍不完整，便给南云忠一发布了3个连续的“KAWA”，表示需要再度攻击。
但在航母起飞攻击机同时，担负侦察任务的重巡洋舰“利根”却未能按规定时间（1点30分）起飞，“利根”4号机甚至拖了半个小时才最终起飞。不过相比“利根”，“筑摩”1号机的错误更加明显，这架飞机在3点15分～30分左右途径美*航母编队上空，却因云层遮挡而未能发现美*。
由于没有得到任何警示，南云忠一的思维惯性认为面前是一片坦途，下令让第二次攻击队将鱼雷全部更换为陆上攻击炸弹。然而也就在这一时刻，第16特混舰队接连起飞架飞机，之后第17特混舰队于5点30分开始也起飞35架攻击机。
4点28分，“利根”4号机发来电报：“发现敌*模样之物10艘，中途岛方位10度，海里。”一时间让机动部队陷入一片慌乱之中，4点45分机动部队暂停更换鱼雷，并要求“利根”4号机“明确舰种”。就在这段时间里，中途岛陆基航空兵的16架SBD、12架B17四引擎轰炸机双双袭来，虽然均未成功，却也让日*航母队形开始混乱。
美*开始盘踞在日*头顶。5点20分左右，“利根”4号机发来情报：“敌*有1艘航母模样之物殿后，中途岛8度，海里。”出于对“利根”4号机的不信任，南云忠一便命令航母“苍龙”起飞2艘十三式舰上爆击机（最高速度较零式水上侦察机快公里/小时），不过由于“利根”4号机汇报位置有误，这2艘高速飞机也并未寻到美*航母踪迹。
既已发现美*航母，那么迅速发动攻击队便成为要务。然而，当时友永丈市指挥的第一次中途岛攻击队已经回归，弹药与燃料耗尽，必须立刻回收。第2航空战队指挥官山口多闻少将提出，应放弃回收飞机，立刻起飞第2次攻击队进攻美*航母。由于山口多闻在珍珠港突袭时期提出过放弃航距较短的2艘航母“苍龙”、“飞龙”，他的建议在南云忠一看来无异于痴人说梦，因而未受理会。
南云忠一随即下令，5点37分开始，日*航母一边回收友永丈市的攻击队，一边重新将已经更换为炸弹的飞机换回鱼雷。虽然南云忠一反复无常的命令为航母运转带来了很多麻烦，但鉴于美*攻击队已经在途中，即便立即起飞第1航空舰队剩下的70架左右飞机也不可能全部阻拦，倒不如先收容旧飞机，徐图良策。
美*飞机依然源源不断从各个方向飞来。7点20分之后，麦克拉斯基、莱斯利两人率领攻击队分别攻击航母“赤城”、“加贺”、“苍龙”，3艘航母立即燃起大火，其中“加贺”舰岛甚至被彻底夷平，局势对日*来说极为不利。
赤城航空母舰
“飞龙”由于身处云层之下，并未受到美*攻击，山口多闻随即“掌控航空战指挥权”。8点，“飞龙”起飞第一次攻击队（指挥官为小林道雄大尉）派出零战6架、九九舰爆18架袭击美*，并向飞行途中的攻击队发布了两次最新的美*位置情报，帮助第一次攻击队在9点10分左右对航母“约克城”狂轰滥炸。虽然第一次攻击队认为他们击沉了1艘“企业级航母”，但事实上在11点左右，航母“约克城”大火熄灭，速度也恢复到了20节。
10点30分，“飞龙”起飞第二次攻击队（指挥官为友永丈市大尉）。不过当他们在11点30分发现“约克城”之时，这艘航母已经灭火完毕，航行顺利，他们便认为这是“未受损伤的其他航母”，便迅速发起攻击，这艘倒霉航母的左舷又被2发鱼雷命中，失去动力，无法航行。
飞龙号航空母舰
不过前来袭击的“飞龙”攻击队也损失惨重，不仅两次攻击队指挥官小林道雄、友永丈市双双战死，日*派出的40架各式攻击机也损失了24架。虽然“飞龙”拼死一战为日*击沉了一艘美*航母，但也让这艘联合舰队仅存的航母陷入了危险之中。更麻烦的是，由于友永丈市一开始认为第二次击毁的航母不是“约克城”，日*便以为自己击沉了美*2艘航母——考虑到美*只剩下1艘航母，山口多闻便决定再等一等，在修理数架飞机之后发动傍晚突袭。
然而美*没有给予他们这个机会。13点45分，加莱赫少校率领美*24架SBD编队突入日*阵营，4颗炸弹命中“飞龙”。要知道，早在上午10点，山本五十六就下令执行攻略任务的第2舰队前来驰援，改以战舰炮击岛屿，然而“飞龙”一旦沉没，日*就更缺少空中力量支援，反攻计划也将彻底泡汤。
美*空袭全部结束以后，重巡洋舰“筑摩”说“2号机又发来情报“起火美*航母后方还有4艘航母”，这无疑让受尽刺激的南云忠一又一次备受打击。这次情报表明了美*的规模超乎想象，南云忠一也终于可以叹息“敌*航空母舰拥有预想之外的优势”，21点15分，日*全面停止中途岛作战。不过由于永野修身临时插入阿留申作战，日*得以占领几乎无人防御的阿图岛、基斯卡岛，使得日*还是能够宣扬自己获得了“伟大的胜利”。
中途岛海战是历史上第一次大规模航母编队决战，无疑吸引了大量*史爱好者