Začetni zračni napadi
3. junija ob približno 9.00 je patruljno letalo ameriške mornarice opazilo japonske okupacijske sile 500 navtičnih milj (580 milj; 930 kilometrov) zahodno-jugozahodno od Midwaya. Tri ure pozneje so Američani odkrili japonsko transportno skupino 570 navtičnih milj (660 milj; 1060 kilometrov) zahodno. Napadli so jo, vendar nobena od bomb ni zadela in ni nastala večja škoda. Zgodaj naslednje jutro je japonski tanker Akebono Maru zadel torpedo iz napadalnega PBY. To je bil edini uspešen torpedni napad iz zraka, ki so ga ZDA izvedle med celotno bitko.
4. junija ob 4.30 je Nagumo začel napad na Midway. Sestavljalo ga je 36 potapljaških bombnikov 36 torpednih bombnikov, ki jih je spremljalo 36 lovcev Mitsubishi Zero. Hkrati je začel izvajati obrambno bojno zračno patruljo. Njegovih osem iskalnih letal je vzletelo s 30-minutno zamudo.
Japonski izvidniški načrti so bili slabi, saj je bilo premalo letal za pokrivanje iskalnih območij. Jamamotove odločitve so zdaj postale resen problem.
Medtem ko so Nagumovi bombniki in lovci vzletali, je 11 letal PBY zapustilo Midway, da bi poiskalo japonske ladje. Poročali so, da so opazili dve japonski letalonosilki s praznimi palubami, kar je pomenilo, da je na poti zračni napad. Ameriški radar je zaznal sovražnika na razdalji več milj, zato so bila letala poslana v obrambo Midwaya. Bombniki so se odpravili v napad na floto japonskih letalonosilk. Ameriški lovci so ostali v ozadju in branili Midway. Ob 6.20 so japonska letala bombardirala ameriško oporišče in ga močno poškodovala. Piloti mornariških lovcev iz Midwaya, ki so leteli z letali F4F in zastarelimi F2A, so prestregli japonska letala in imeli številne izgube. Večina ameriških letal je bila sestreljena v prvih nekaj minutah; več jih je bilo poškodovanih, le dve pa sta lahko poleteli. Skupaj so bila sestreljena tri letala F4F in 13 letal F2A. Ameriški protiletalski ogenj je bil natančen in je poškodoval številna japonska letala, štiri pa uničil.
Od 108 japonskih letal, ki so sodelovala v tem napadu, jih je bilo 11 uničenih, 14 močno poškodovanih in 29 poškodovanih. Začetni japonski napad ni uničil Midwaya: Ameriški bombniki so lahko še vedno uporabljali letalsko oporišče za oskrbo z gorivom in napade na japonske invazijske sile. Večina kopenske obrambe Midwaya je bila nedotaknjena. Če naj bi se vojaki do 7. junija lahko spustili na kopno, bi bil potreben še en zračni napad, ki bi uničil obrambo Midwaya.
Ameriški bombniki na Midwayu so večkrat napadli japonsko letalonosilko. Med njimi je bilo šest Grummanovih Avengerjev iz Hornetovega VT-8 (Midway je bil prva bojna misija za letalce VT-8 in prva bojna misija TBF), 241. izvidniško-bombniško eskadriljo mornariške pehote (VMSB-241), sestavljeno iz enajstih SB2U-3 in šestnajstih SBD, ter štiri s torpedi oborožene B-26 USAAF in petnajst B-17. Japonci so te napade odbili. ZDA so izgubile dva lovca, pet TBF, dva SB2U, osem SBD in dva B-26.
Eden od B-26, ki ga je protiletalski ogenj močno poškodoval, je strmoglavil naravnost proti Akagi. Letalo je le malo zgrešilo mostiček letalonosilke, kar bi lahko ubilo Naguma in njegovo poveljniško osebje. Zaradi tega se je Nagumo morda odločil za nov napad na Midway v nasprotju z Jamamotovim ukazom, naj ohrani rezervne sile za protiladijske operacije.
Nagumova odločitev
Admiral Nagumo je imel polovico svojih letal v rezervi. To sta bili dve eskadrilji potapljaških bombnikov in torpednih bombnikov. Ob 07:15 je Nagumo ukazal, naj se rezervna letala ponovno oborožijo z bombami za uporabo proti kopenskim ciljem. Ob 07:40 je izvidniško letalo Tone opazilo velike ameriške pomorske sile na vzhodu. Zdi se, da je Nagumo poročilo prejel šele ob 08:00. Nagumo je spremenil svoj ukaz, vendar je trajalo 40 minut, preden je Tonejev izvidnik končno po radijski zvezi sporočil, da je v ameriških silah letalonosilka. To je bila ena od letalonosilk iz TF 16; druge letalonosilke niso opazili.
Nagumo zdaj ni vedel, kaj naj stori. Kontraadmiral Tamon Jamaguči je Nagumu priporočil, naj napade z razpoložljivimi silami: po 18 potapljaških bombnikov Aiči D3A na Sōryū in Hiryū ter polovico patruljnih letal za kritje. Vendar je bila Nagumova priložnost, da zadane ameriške ladje, zdaj omejena. Udarna sila z Midwaya se bo kmalu vrnila in morala je pristati ali pa se zrušiti v morje. Zaradi nenehne aktivnosti v pilotski kabini Japonci svojih rezervnih letal niso uspeli spraviti na pilotsko palubo za izstrelitev. Redka letala, ki so bila pripravljena, so bila obrambna bojna letala. Za izstrelitev letal bi bilo potrebnih vsaj 30 do 45 minut. S takojšnjim izstrelitvijo bi Nagumo uporabil del svoje rezerve brez ustreznega protiladijskega orožja. Pravkar je videl, kako zlahka so bili sestreljeni ameriški bombniki brez spremstva. Zaradi slabe discipline se je veliko japonskih bombnikov znebilo svojih bomb in se poskušalo boriti s prestrezajočimi letali F4F. Japonska pravila o letalonosilkah so dajala prednost popolnim udarcem, in ker Nagumo ni vedel, da ameriške sile vključujejo letalonosilko, je njegov odziv sledil japonskim pravilom. Poleg tega je Nagumo zaradi prihoda še enega ameriškega zračnega napada ob 07:53 želel ponovno napasti otok. Nagumo se je odločil, da bo počakal, da bo pristala prva udarna sila, nato pa bo izstrelil rezervno, ki bo do takrat oborožena in pripravljena.
Fletcherjeve letalonosilke so svoja letala izstrelile ob 7.00, zato so bila letala, ki so napadla Nagumo, že na poti. Nagumo ni mogel storiti ničesar. To je bila pomanjkljivost Jamamotovih načrtov.
Napadi na japonsko floto
Američani so proti Japoncem že izstrelili svoja letalonosilke. Admiral Fletcher, ki je poveljeval na krovu Yorktowna in je imel poročila o opazovanju PBY-jev od zgodnjega jutra, je ukazal čimprejšnji napad na Japonce. Yorktown je obdržal v rezervi, če bi odkrili druge japonske letalonosilke. (Fletcherjeva navodila Spruanceu je poslal Nimitz, ki je ostal na kopnem.)
Spruance je menil, da bi napad lahko uspel, čeprav je bil domet daleč. Ukaz za napad je izdal okoli 06:00. Fletcher je po končanih lastnih izvidniških poletih sledil ob 8.00 iz Yorktowna.
Admiral Fletcher, ki je poveljeval projektni skupini Yorktown, in kapitan Elliott Buckmaster, poveljnik Yorktowna, ter njuno osebje so imeli izkušnje s popolnim napadom na sovražnikove sile v Koralnem morju. Toda tega, kar so se naučili, niso mogli prenesti na Enterprise in Hornet, ki sta dobila ukaz, da izvedeta prvi napad. Spruance je letaloma ukazal, naj se takoj odpravita na cilj, saj je bilo uničenje sovražnih letalonosilk pomembno za varnost njegovih ladij. Spruance se je odločil, da je pomembneje čim prej napasti, kot pa usklajevati napad z letali različnih vrst in hitrosti (lovci, bombniki in torpednimi bombniki). Ameriške eskadrilje so se na cilj odpravile v več različnih skupinah. Upal je, da bo našel Naguma s polnimi letalskimi palubami letal.
Ameriška letalonosilka je imela težave pri iskanju cilja. Napad z letala Hornet, ki ga je vodil poveljnik Stanhope C. Ring, ni poletel v pravo smer. Potopni bombniki letalske skupine 8 so zgrešili japonske letalonosilke. [stran potrebna] Torpedna eskadrilja 8 je letela v pravi smeri. Vendar je desetim letalom F4F iz skupine Hornet zmanjkalo goriva in so se morala zrušiti v ocean. Waldronova eskadrilja je opazila sovražnikove letalonosilke in začela napadati ob 09:20. Sledila ji je 6. torpedna eskadrilja (VT-6, iz Enterprise), katere spremljevalnim lovcem Wildcat je prav tako zmanjkalo goriva in so se morali ob 09:40 obrniti nazaj. Brez spremstva lovcev je bilo vseh petnajst TBD Devastatorjev iz VT-8 sestreljenih, ne da bi lahko povzročili kakršno koli škodo, edini preživeli pa je bil praporščak George Gay. VT-6 je izgubil 10 od svojih 14 Devastatorjev, 10 od 12 Devastatorjev VT-3 iz Yorktowna pa je bilo sestreljenih brez zadetkov. Del problema je bilo slabo delovanje torpedov Mark 13. Visoki častniki mornarice in urada za strelivo se niso nikoli vprašali, zakaj šest torpedov, izpuščenih tako blizu japonskih letalonosilk, ni dalo nobenega zadetka. Japonska bojna letalska patrulja, ki je letela z Mitsubishi A6M2 Zeros, je sestrelila nesprejete, počasne in premalo oborožene TBD-je. Nekaj TBD-jev se je uspelo dovolj približati, da so spustili torpeda in s strojnicami streljali na sovražne ladje. To je japonske letalonosilke prisililo k ostrim zavojem. TBD Devastator ni bil nikoli več uporabljen v boju.
Kljub temu, da ameriški torpedni napadi niso prinesli zadetkov, japonske letalonosilke niso mogle pripraviti in izvesti lastnega napada. Prav tako so japonsko bojno zračno patruljo (CAP) spravili s položaja. Poleg tega je številnim zerosom zmanjkalo streliva in goriva. Pojav tretjega torpednega napada z jugovzhoda, ki ga je ob 10.00 izvedla torpedna eskadrilja 3 (VT-3 iz Yorktowna), je prisilil japonsko CAP, da je poletela v jugovzhodni kot flote. Boljša disciplina in uporaba več zerov za CAP bi Nagumu morda omogočila, da bi preprečil škodo, ki so jo povzročili prihajajoči ameriški napadi.
Z jugozahoda in severovzhoda so se bližale tri eskadrilje SBD z ladij Enterprise in Yorktown (VB-6, VS-6 in VB-3). Dvema eskadriljama z Enterprise je zaradi časa, ki sta ga porabili za iskanje sovražnika, primanjkovalo goriva. Kljub temu se je poveljnik eskadrilje odločil, da bo nadaljeval z iskanjem. Opazil je japonski rušilec Arashi. Ta se je premikal, da bi se ponovno pridružil Nagumovim letalonosilkam, potem ko je neuspešno izvedel globinski napad na ameriško podmornico Nautilus. Nautilus je pred tem neuspešno napadel bojno ladjo Kirishima. Nekaj bombnikov je bilo izgubljenih zaradi pomanjkanja goriva pred začetkom napada.
McCluskyjeva odločitev o nadaljevanju iskanja je bila v veliko pomoč ameriški operacijski skupini letalonosilk in silam na Midwayu. Vse tri eskadrilje ameriških potapljaških bombnikov (VB-6, VS-6 in VB-3) so prispele ob pravem času za napad. Večina japonskih CAP je iskala torpedna letala. Oborožena japonska udarna letala so napolnila hangarske palube, na palubah so ležale cevi za gorivo, v bližini hangarjev pa so bile bombe in torpeda, zato je bila nevarnost poškodb japonskih letalonosilk zelo velika.
Ob 10:22 sta se dve eskadrilji letalske skupine Enterprise razdelili in napadli dve tarči. Po naključju sta obe skupini napadli ladjo Kaga. Komandir poročnik Richard Halsey Best in dve drugi letali so se odpravili na sever, da bi napadli Akagi. Ob napadu skoraj dveh polnih eskadrilj so Kago zadele štiri ali pet bomb, ki so povzročile veliko škodo in sprožile požare, ki jih ni bilo mogoče pogasiti. Ena od bomb je pristala v bližini mostu in ubila večino višjih častnikov.
Nekaj minut pozneje je Best z dvema letaloma strmoglavil na Akagi. Čeprav je Akagi dobil en neposreden zadetek (odvrgel ga je komandir poročnik Best). Udaril je v dvigalo na krovu in se prebil vse do zgornjega hangarskega krova. Eksplodiral je med oboroženimi in z gorivom napolnjenimi letali. Še ena bomba je eksplodirala pod vodo, kar je nagnilo pilotsko palubo in povzročilo poškodbe krmila.
Yorktownova ladja VB-3, ki ji je poveljeval Max Leslie, je napadla Sōryū. Dobili so vsaj tri zadetke in povzročili veliko škode. VT-3 je napadel Hiryū, vendar ni prejel nobenega zadetka.
V šestih minutah sta Sōryū in Kaga zagorela. Tudi Akagi je bil resno poškodovan. Japonci so upali, da bo Akagi mogoče rešiti ali odvleči nazaj na Japonsko. Na koncu so bile vse tri letalonosilke zapuščene in potopljene.
Japonski protinapadi
Napadena je bila Hiryū, edina preživela japonska letalonosilka. Prvi napad Hiryūja je bil sestavljen iz 18 potapljaških bombnikov in šestih spremljevalnih lovcev. Sledili so umikajočim se ameriškim letalom in napadli ladjo Yorktown ter jo zadeli s tremi bombami, ki so naredile luknjo v krovu, ugasnile kotle in uničile več protiletalskih topov. Kljub poškodbam so popravljalne ekipe v eni uri uspele popraviti pilotsko palubo in popraviti več kotlov. V tem napadu je bilo izgubljenih dvanajst japonskih potapljaških bombnikov in štirje spremljevalni lovci.
Približno eno uro pozneje je Hiryū izvedel drugi napad. Sestavljalo ga je deset torpednih bombnikov in šest spremljevalnih letal A6M. Ameriška popravila so bila tako dobra, da so Japonci domnevali, da gre za drugo, nepoškodovano letalonosilko. V napadu sta Yorktown zadela dva torpeda; izgubila je vso moč in se nagnila v levo, kar jo je izločilo iz boja. Admiral Fletcher je svoje poveljniško osebje preselil na težko križarko Astoria. Nobena od letalonosilk Spruanceove operativne skupine 16 ni bila poškodovana.
Novica o obeh napadih in poročilih, da je bila v obeh primerih potopljena ameriška letalonosilka (v obeh primerih je šlo dejansko za Yorktown), je močno izboljšala moralo v ladji Kido Butai. Nekaj preživelih letal je bilo vrnjenih na krov Hiryūja, kjer so jih pripravili za napad na edino preostalo ameriško letalonosilko, za katero se je verjelo, da je ostala.
Ameriški protinapad
Pozno popoldne je izvidniško letalo Yorktown našlo Hiryū. Enterprise je sprožil napad potapljaških bombnikov (vključno z desetimi SBD z Yorktowna). Čeprav je Hiryū branilo več kot ducat lovcev Zero, je bil napad Enterprise uspešen: štiri, morda pet bomb je zadelo Hiryū, zaradi česar je ta pogorela in ni mogla upravljati letal. (Hornetov napad je bil usmerjen na spremljevalne ladje, vendar ni zadel nobene.) Po brezupnih poskusih obvladovanja požara so večino posadke, ki je ostala na Hiryū, odpeljali z ladje. Preostanek flote je nadaljeval plovbo proti severovzhodu, da bi ujel ameriške letalonosilke. Hiryū je ostal na površju še nekaj ur. Odkrilo jo je letalo z lahke letalonosilke Hōshō. To je vzbudilo upanje, da jo bo mogoče rešiti ali odvleči nazaj na Japonsko. Vendar se je Hiryū kmalu po tem, ko so jo opazili, potopila. Kontraadmiral Yamaguchi se je odločil, da bo potonil s svojo ladjo, in tako je Japonska izgubila svojega najboljšega častnika na letalonosilki.
Ko se je stemnilo, sta obe strani premislili o razmerah in pripravili načrte za ukrepanje. Admiral Fletcher je moral zapustiti Yorktown. Menil je, da ne more poveljevati s križarke. Poveljstvo je predal Spruanceu. Spruance je vedel, da so Združene države Amerike dosegle veliko zmago, vendar še vedno ni bil prepričan, kakšne japonske sile so ostale. Želel je zaščititi Midway in svoje letalonosilke. Čez dan je sledil Nagumu in nadaljeval z njim tudi, ko je nastopila noč. Nazadnje se je Spruance v strahu pred morebitno nočno bitko z japonskimi ladjami in prepričan, da Jamamoto še vedno namerava vdreti, umaknil proti vzhodu. Ob polnoči se je obrnil nazaj proti zahodu, proti sovražniku. Jamamoto se je odločil nadaljevati napade in je svoje preostale ladje poslal iskat ameriške letalonosilke proti vzhodu. Poslal je tudi napadalno enoto križark, ki je bombardirala otok. Japonske ladje zaradi Spruanceove odločitve, da se umaknejo proti vzhodu, niso vzpostavile stika z Američani, zato je Jamamoto ukazal umik proti zahodu.
Spruance 5. junija ni uspel ponovno vzpostaviti stika z Yamamotovimi silami, čeprav jih je večkrat iskal. Proti koncu dneva je začel napadati vse ladje iz Nagumovih letalonosilk. Ta napad je zgrešil glavno Yamamotovo skupino ladij. Ni zadel nobenega japonskega rušilca. Udarna letala so se po mraku vrnila na letalonosilke. Spruance je Enterprise in Hornetu ukazal, naj prižgeta luči in tako pomagata pri izkrcanju.
V noči s 5. na 6. junij ob 02.15 je podmornica Tambor poveljnika Johna Murphyja v vodi 90 navtičnih milj (100 milj; 170 kilometrov) zahodno od Midwaya prispevala drugi pomemben prispevek podmorniških sil k izidu bitke. Murphy in njegov izvršni častnik Ray Spruance mlajši sta opazila več ladij, vendar jih nista mogla prepoznati. Ker je menil, da bi lahko šlo za ameriške ladje, Murphy ni streljal, temveč je o ladjah poročal admiralu Robertu Englishu, poveljniku podmorniških sil pacifiške flote (COMSUBPAC). To poročilo je bilo poslano Nimitzu, ki ga je nato poslal Spruanceu. Spruance je domneval, da gre za invazijske sile, in se je premaknil, da bi jih blokiral, medtem ko je ostal 100 navtičnih milj (120 milj; 190 kilometrov) severovzhodno od Midwaya.
Ladje, ki jih je opazil Tambor, so bile štiri križarke in dva rušilca, ki jih je Yamamoto poslal bombardirat Midway. Ob 02:55 so te ladje prejele Jamamotov ukaz, naj se umaknejo, in spremenile smer. Približno ob istem času, ko so spremenili smer, so opazili Tambor, Mogami in Mikuma pa sta, da bi se izognili napadu podmornice, trčili druga v drugo, kar je povzročilo resne poškodbe na Mogamijevem premcu. Manj poškodovana Mikuma je upočasnila hitrost na 12 vozlov (22 kilometrov na uro; 14 milj na uro). To je bila največja škoda, ki jo je dosegla katera koli od 18 podmornic, napotenih v bitko. Šele ob 04:12 se je nebo dovolj razjasnilo, da se je Murphy lahko prepričal, da gre za japonski ladji, do takrat pa je bilo ostati na površju nevarno, zato se je potopil, da bi se približal napadu. Napad je bil neuspešen in ob približno 06:00 je končno poročal o dveh zahodno usmerjenih križarkah razreda Mogami.
V naslednjih dveh dneh so najprej Midway, nato pa še Spruanceove letalonosilke izvedle več napadov. Mikumo so potopili Dauntlessi, Mogami pa je preživela poškodbe in se vrnila domov na popravilo. Med zadnjim od teh napadov sta bila bombardirana in strojno obstreljena tudi rušilca Arashio in Asashio.
Yorktown je vlekla ladja USS Vireo. Pozno popoldne 6. junija pa je I-168 izstrelil torpeda; dve sta zadeli Yorktown, tretja pa je zadela in potopila rušilec USS Hammann, ki je Yorktownu zagotavljal energijo. Hammann se je razlomil na dva dela, pri čemer je umrlo 80 ljudi. Yorktown se je potopil 7. junija malo po 5. uri.
