Indledende luftangreb
Omkring kl. 09.00 den 3. juni spottede et patruljefly fra den amerikanske flåde den japanske besættelsesstyrke 500 sømil (580 sømil; 930 kilometer) vest-sydvest for Midway. Tre timer senere fandt amerikanerne den japanske transportgruppe 570 sømil (660 sømil; 1.060 kilometer) mod vest. De angreb, men ingen af bomberne ramte, og der skete ingen større skader. Tidligt den følgende morgen blev den japanske olietanker Akebono Maru ramt af en torpedo fra en angribende PBY. Dette var det eneste vellykkede torpedo-angreb fra luften, som USA gennemførte i hele slaget.
Kl. 04.30 den 4. juni indledte Nagumo sit angreb på Midway. Det bestod af 36 dykbombere 36 torpedobombere, eskorteret af 36 Mitsubishi Zero jagerfly. Samtidig indledte han en defensiv kampflypatrulje. Hans otte eftersøgningsfly startede 30 minutter for sent.
De japanske rekognosceringsplaner var dårlige, og der var for få fly til at dække eftersøgningsområderne. Yamamoto's beslutninger var nu blevet et alvorligt problem.
Mens Nagumos bombefly og jagerfly lettede, forlod 11 PBY'er Midway for at lede efter japanske skibe. De rapporterede, at de havde set to japanske hangarskibe med tomme dæk, hvilket betød, at et luftangreb var på vej. Amerikansk radar opfangede fjenden i en afstand af flere mil, og fly blev sendt af sted for at forsvare Midway. Bombefly gik af sted for at angribe den japanske hangarskibsflåde. Amerikanske jagerfly blev tilbage for at forsvare Midway. Kl. 06:20 bombede japanske hangarskibsfly den amerikanske base og beskadigede den kraftigt. Midway-baserede marinejagtpiloter, der fløj med F4F'ere og forældede F2A'ere, opsnappede japanerne og havde mange tab. De fleste af de amerikanske fly blev skudt ned i de første minutter; flere blev beskadiget, og kun to kunne flyve. I alt blev 3 F4F'ere og 13 F2A'ere skudt ned. Amerikansk luftværnsild var præcis og beskadigede mange japanske fly og ødelagde fire.
Af de 108 japanske fly, der var involveret i dette angreb, blev 11 ødelagt, 14 blev stærkt beskadiget og 29 blev beskadiget. Det første japanske angreb ødelagde ikke Midway: Amerikanske bombefly kunne stadig bruge luftbasen til at tanke op og angribe den japanske invasionsstyrke. De fleste af Midways landbaserede forsvarsværker var intakte. Et nyt luftangreb for at ødelægge Midways forsvar ville være nødvendigt, hvis tropperne skulle kunne gå i land inden den 7. juni.
Amerikanske bombefly med base på Midway foretog flere angreb på den japanske hangarskibsflåde. Disse omfattede seks Grumman Avengers fra Hornet's VT-8 (Midway var den første kampmission for VT-8-flyverne, og det var TBF's første kamp), Marine Scout-Bombing Squadron 241 (VMSB-241), der bestod af elleve SB2U-3 og seksten SBD'er, samt fire USAAF B-26'ere, bevæbnet med torpedoer, og femten B-17'ere. Japanerne afviste disse angreb. USA mistede to jagerfly, fem TBF'ere, to SB2U'ere, otte SBD'ere og to B-26'ere.
En B-26 blev alvorligt beskadiget af antiluftskyts og dykkede direkte mod Akagi efter at være blevet alvorligt beskadiget af antiluftskyts. Flyet ramte lige forbi hangarskibets bro, hvilket kunne have dræbt Nagumo og hans kommandostab. Dette kan have fået Nagumo til at beslutte at iværksætte endnu et angreb på Midway, imod Yamamotos ordre om at beholde reservestyrken til antiskibsoperationer.
Nagumos beslutning
Admiral Nagumo havde holdt halvdelen af sine fly i reserve. Det var to eskadriller af dykbombere og torpedobombere. Kl. 07:15 beordrede Nagumo sine reservefly til at blive genbevæbnet med bomber til brug mod landmål. Kl. 07:40 så et spejderfly fra Tone en stor amerikansk flådestyrke mod øst. Det ser ud til, at Nagumo ikke modtog rapporten før kl. 08:00. Nagumo omgjorde sin ordre, men der gik 40 minutter, før Tones spejderfly endelig meldte i radioen, at der var et hangarskib i den amerikanske styrke. Det var et af hangarskibene fra TF 16; det andet hangarskib blev ikke observeret.
Nagumo vidste nu ikke, hvad han skulle gøre. Kontreadmiral Tamon Yamaguchi anbefalede, at Nagumo slog til med de styrker, der var til rådighed: 18 Aichi D3A-støttebombefly hver på Sōryū og Hiryū og halvdelen af dækningsflyene. Nagumos mulighed for at ramme de amerikanske skibe var nu imidlertid begrænset. Midway-angrebsstyrken ville snart vende tilbage og måtte lande eller styrte i havet. På grund af den konstante flydæksaktivitet fik japanerne ikke deres reservefly op på flydækket til opsendelse. De få fly, der var klar, var defensive jagerfly. Det ville have taget mindst 30 til 45 minutter at opsende flyene. Ved at opsende med det samme ville Nagumo bruge nogle af sine reserver uden ordentlige antiskibsvåben. Han havde netop set, hvor let ubevogtede amerikanske bombefly var blevet skudt ned. Dårlig disciplin fik mange af de japanske bombefly til at skille sig af med deres bomber og forsøge at kæmpe mod opsnappende F4F'ere. Japanske hangarskibsregler foretrak fuld angreb, og da Nagumo ikke vidste, at den amerikanske styrke omfattede et hangarskib, fulgte hans svar de japanske regler. Desuden fik et nyt amerikansk luftangreb kl. 07:53 Nagumo til at ønske at angribe øen igen. Nagumo besluttede at vente på, at hans første angrebsstyrke landede, og derefter affyre reserven, som på det tidspunkt ville være bevæbnet og klar.
Fletchers hangarskibe havde sendt deres fly af sted fra kl. 07:00, så de fly, der angreb Nagumo, var allerede på vej. Der var intet Nagumo kunne gøre ved det. Dette var fejlen ved Yamamotos planer.
Angreb på den japanske flåde
Amerikanerne havde allerede sendt deres hangarskibsfly af sted mod japanerne. Admiral Fletcher, der havde kommandoen om bord på Yorktown, og som havde fået PBY-observationsrapporter fra den tidlige morgen, beordrede et angreb på japanerne så hurtigt som muligt. Han holdt Yorktown i reserve i tilfælde af, at der blev fundet andre japanske hangarskibe. (Fletchers anvisninger til Spruance blev sendt af Nimitz, som var blevet i land).
Spruance mente, at selv om afstanden var lang, kunne et angreb lykkes. Han gav ordre til at indlede angrebet omkring kl. 06:00. Fletcher fulgte efter at have afsluttet sine egne rekognosceringsflyvninger kl. 08:00 fra Yorktown.
Admiral Fletcher, der havde kommandoen over Yorktown-styrken, samt kaptajn Elliott Buckmaster, Yorktowns kommandør, og deres stabe havde erfaring med at gennemføre et fuldt angreb mod en fjendtlig styrke i Koralhavet. Men de kunne ikke videregive det, de havde lært, til Enterprise og Hornet, som fik ordre til at iværksætte det første angreb. Spruance beordrede flyene til at gå til målet med det samme, da det var vigtigt for hans skibes sikkerhed at ødelægge fjendtlige hangarskibe. Spruance besluttede, at det var vigtigere at angribe så hurtigt som muligt end at koordinere angrebet med fly af forskellige typer og hastigheder (jagerfly, bombefly og torpedobombefly). Amerikanske eskadriller gik til målet i flere forskellige grupper. Han håbede, at han ville finde Nagumo med sine flydæk fulde af fly.
Amerikanske hangarskibsfly havde svært ved at lokalisere målet. Angrebet fra Hornet, der blev ledet af kommandør Stanhope C. Ring, fløj ikke i den rigtige retning. Air Group Eight's dykkerbombere missede de japanske hangarskibe. Torpedoskadrille 8 fløj i den rigtige retning. De 10 F4F'ere fra Hornet var imidlertid løbet tør for brændstof og måtte styrte ned i havet. Waldrons eskadrille så de fjendtlige hangarskibe og begyndte at angribe kl. 09:20, efterfulgt af Torpedo Squadron 6 (VT-6, fra Enterprise), hvis Wildcat jagereskorte også løb tør for brændstof og måtte vende om kl. 09:40. Uden jagereskorte blev alle femten TBD Devastators fra VT-8 skudt ned uden at kunne gøre nogen skade, med fændrik George Gay som den eneste overlevende. VT-6 mistede 10 af deres 14 Devastators, og 10 af Yorktowns VT-3's 12 Devastators blev skudt ned uden at blive ramt. En del af problemet var den dårlige præstation af Mark 13-torpedoerne. Højtstående officerer i flåden og i Bureau of Ordnance spurgte aldrig, hvorfor seks torpedoer, der blev affyret så tæt på de japanske hangarskibe, ikke gav nogen træffere. Den japanske kampflypatrulje, der fløj Mitsubishi A6M2 Zeros, skød de ubemandede, langsomme og underbevæbnede TBD'er ned. Nogle få TBD'er formåede at komme tæt nok på til at kaste deres torpedoer og skyde deres maskingeværer mod de fjendtlige skibe. Dette fik de japanske hangarskibe til at foretage skarpe sving. TBD Devastator blev aldrig mere brugt i kamp.
Selv om de amerikanske torpedoangreb ikke ramte, gjorde de japanske hangarskibe det umuligt for dem at forberede og iværksætte deres eget angreb. De trak også den japanske kampflypatrulje (CAP) ud af position. Desuden løb mange Zeros tør for ammunition og brændstof. Opdukken af et tredje torpedoflyangreb fra sydøst fra Torpedo Squadron 3 (VT-3 fra Yorktown) kl. 10:00 fik den japanske CAP til at flyve til det sydøstlige hjørne af flåden. Bedre disciplin og brug af flere Zeroer-fly til CAP'en kunne måske have gjort det muligt for Nagumo at forhindre de skader, som de kommende amerikanske angreb forårsagede.
Tre eskadriller af SBD'er fra Enterprise og Yorktown (henholdsvis VB-6, VS-6 og VB-3) nærmede sig fra sydvest og nordøst. De to eskadriller fra Enterprise var ved at løbe tør for brændstof på grund af den tid, de havde brugt på at lede efter fjenden. Eskadronchefen besluttede dog at fortsætte eftersøgningen. Han fik øje på den japanske destroyer Arashi. Den var på vej til at slutte sig til Nagumos hangarskibe igen efter at have haft fiasko med at dybdebeskyde den amerikanske ubåd Nautilus. Nautilus havde tidligere forgæves angrebet slagskibet Kirishima. Nogle bombefly gik tabt på grund af brændstofmangel, inden angrebet startede.
McCluskys beslutning om at fortsætte eftersøgningen var en stor hjælp for den amerikanske hangarskibsstyrke og styrkerne på Midway. Alle tre amerikanske dykbombeeskadroner (VB-6, VS-6 og VB-3) ankom på det rigtige tidspunkt til angreb. De fleste af de japanske CAP var på udkig efter torpedoflyene. Bevæbnede japanske angrebsfly fyldte hangardækkene, brændstofslanger lå på dækkene og bomber og torpedoer lå tæt på hangarerne, hvilket gjorde de japanske hangarskibe meget udsatte for at blive beskadiget.
Fra kl. 10:22 delte de to eskadriller i Enterprise's luftgruppe sig op og angreb to mål. Ved et uheld angreb begge grupper Kaga. Kommandørløjtnant Richard Halsey Best og to andre fly gik mod nord for at angribe Akagi. Da de blev angrebet af næsten to fulde eskadriller, blev Kaga ramt af fire eller fem bomber, som forårsagede store skader og startede brande, som ikke kunne slukkes. En af bomberne landede nær broen og dræbte de fleste af de ledende officerer.
Flere minutter senere dykkede Best og to fly ned mod Akagi. Selv om Akagi fik en direkte træffer (nedkastet af kaptajnløjtnant Best). Den ramte dækelevatoren og gik hele vejen igennem til det øverste hangardæk. Den eksploderede blandt de bevæbnede og tankede fly. En anden bombe eksploderede under vandet, hvilket bøjede flyvedækket og forårsagede rorskader.
Yorktowns VB-3 under kommando af Max Leslie angreb Sōryū. De fik mindst tre træffere og forårsagede en masse skader. VT-3 tog Hiryū som mål, men fik ingen træffere.
Inden for seks minutter var Sōryū og Kaga i brand. Akagi blev også alvorligt beskadiget. Japanerne håbede, at Akagi kunne reddes eller blive slæbt tilbage til Japan. I sidste ende blev alle tre hangarskibe i sidste ende opgivet og sænket.
Japanske modangreb
Hiryū, det eneste overlevende japanske hangarskib, blev angrebet. Hiryū's første angreb bestod af 18 dykbombere og seks jagereskortefly. De fulgte de tilbagetrækkende amerikanske fly og angreb Yorktown og ramte den med tre bomber, som sprængte et hul i dækket, slukkede kedlerne og ødelagde flere antiluftskyts kanoner. På trods af skaderne var reparationshold i stand til at reparere flydækket og reparere flere kedler i løbet af en time. Tolv japanske dykbombere og fire ledsagende jagerfly gik tabt under dette angreb.
Cirka en time senere gennemførte Hiryū sit andet angreb. Det bestod af ti torpedobombere og seks eskorterende A6M'ere. Den amerikanske reparationsindsats havde været så godt udført, at japanerne antog, at hun måtte være et andet, ubeskadiget hangarskib. Under angrebet blev Yorktown ramt af to torpedoer; hun mistede al kraft og udviklede en hældning til bagbord, hvilket satte hende ud af drift. Admiral Fletcher flyttede sin kommandostab til den tunge krydser Astoria. Ingen af hangarskibene i Spruances Task Force 16 blev beskadiget.
Nyheden om de to angreb og rapporterne om, at de hver især havde sænket et amerikansk hangarskib (faktisk Yorktown i begge tilfælde), forbedrede moralen i Kido Butai betydeligt. Dens få overlevende fly blev alle bjærget om bord på Hiryū, hvor de blev forberedt til et angreb mod det, som man troede var det eneste tilbageværende amerikanske hangarskib.
Amerikansk modangreb
Sent om eftermiddagen fandt et Yorktown-spejderfly Hiryū. Enterprise iværksatte et angreb med dykbombere (herunder 10 SBD'er fra Yorktown). På trods af at Hiryū blev forsvaret af mere end et dusin Zero jagerfly, var angrebet fra Enterprise vellykket: fire, muligvis fem bomber ramte Hiryū, så den stod i brand og var ude af stand til at operere fly. (Hornet's angreb sigtede mod eskorte skibene, men den fik ingen træffere.) Efter håbløse forsøg på at kontrollere ilden blev de fleste af de besætningsmedlemmer, der var tilbage på Hiryū, taget af skibet. Resten af flåden fortsatte med at sejle mod nordøst for at indhente de amerikanske hangarskibe. Hiryū holdt sig oven vande i flere timer endnu. Hun blev opdaget af et fly fra det lette hangarskib Hōshō. Det gav håb om, at hun kunne reddes eller slæbes tilbage til Japan. Kort efter at være blevet opdaget sank Hiryū imidlertid. Kontreadmiral Yamaguchi valgte at gå ned med sit skib, hvilket kostede Japan sin bedste hangarskibsofficer.
Mens mørket faldt på, tænkte begge parter over situationen og lagde planer for, hvordan de skulle gribe ind. Admiral Fletcher måtte opgive Yorktown. Han mente ikke, at han kunne kommandere fra en krydser. Han overdrog kommandoen til Spruance. Spruance vidste, at USA havde vundet en stor sejr, men han var stadig usikker på, hvilke japanske styrker der var tilbage. Han ønskede at beskytte Midway og sine hangarskibe. Han fulgte Nagumo om dagen og fortsatte med at følge ham, da natten faldt på. Til sidst trak Spruance sig tilbage mod øst, da han frygtede en mulig nattekamp med japanske skibe og troede, at Yamamoto stadig havde til hensigt at invadere. Han vendte tilbage mod vest mod fjenden ved midnat. Yamamoto besluttede at fortsætte angrebene og sendte sine resterende skibe på jagt østpå efter de amerikanske hangarskibe. Han sendte også en krydserstyrke ud for at bombe øen. Det lykkedes ikke de japanske skibe at få kontakt med amerikanerne på grund af Spruances beslutning om at trække sig tilbage mod øst, og Yamamoto beordrede en tilbagetrækning mod vest.
Det lykkedes ikke Spruance at genvinde kontakten med Yamamotos styrker den 5. juni, selv om han foretog mange eftersøgninger. Mod slutningen af dagen iværksatte han et angreb på alle skibe fra Nagumos hangarskibsstyrke. Dette angreb ramte ikke Yamamotos hovedgruppe af skibe. Det ramte ikke en japansk destroyer. Angrebsflyene vendte tilbage til hangarskibe efter mørkets frembrud. Spruance beordrede Enterprise og Hornet til at tænde deres lys for at hjælpe landingerne.
Kl. 02:15 natten mellem den 5. og 6. juni ydede kommandør John Murphys Tambor, der befandt sig i vandet 90 sømil (100 sømil; 170 kilometer) vest for Midway, det andet af ubådsstyrkernes store bidrag til slagets udfald. Da han fik øje på flere skibe, kunne hverken Murphy eller hans øverstbefalende, Ray Spruance Jr. identificere dem. Da Murphy mente, at der kunne være tale om amerikanske skibe, skød han ikke, men rapporterede skibene til admiral Robert English, kommandør for ubådsstyrken i Stillehavsflåden (COMSUBPAC). Denne rapport blev sendt til Nimitz, som derefter sendte den videre til Spruance. Spruance antog, at dette var invasionsstyrken og rykkede ud for at blokere den, mens han holdt sig 100 sømil (120 sømil; 190 kilometer) nordøst for Midway.
De skibe, som Tambor så, var de fire krydsere og to destroyere, som Yamamoto havde sendt ud for at bombe Midway. Kl. 02:55 modtog disse skibe Yamamotos ordre om at trække sig tilbage og ændrede kurs. Omtrent samtidig med kursændringen blev Tambor observeret, og for at undgå et ubådsangreb ramte Mogami og Mikuma ind i hinanden, hvilket forårsagede alvorlige skader på Mogamis stævn. Den mindre alvorligt beskadigede Mikuma sænkede farten til 12 knob (22 kilometer i timen; 14 miles i timen). Dette var den største skade, som nogen af de 18 ubåde, der blev indsat i slaget, fik. Først kl. 04:12 blev himlen lysere nok til, at Murphy kunne være sikker på, at skibene var japanske, og da det var farligt at holde sig op til overfladen, dykkede han ned for at nærme sig et angreb. Angrebet mislykkedes, og omkring kl. 06:00 meldte han endelig to vestgående krydsere af Mogami-kategorien.
I løbet af de følgende to dage indledte først Midway og derefter Spruances hangarskibe flere angreb. Mikuma blev sænket af Dauntlesses, mens Mogami overlevede skaderne og vendte hjem for at blive repareret. Destroyerne Arashio og Asashio blev også bombet og beskudt med maskingeværer under det sidste af disse angreb.
Yorktown blev slæbt af USS Vireo. Sent om eftermiddagen den 6. juni affyrede I-168 imidlertid torpedoer; to ramte Yorktown, men en tredje ramte og sænkede destroyeren USS Hammann, som havde leveret strøm til Yorktown. Hammann knækkede i to med tab af 80 menneskeliv. Yorktown sank lige efter kl. 05.00 den 7. juni.