1942年5月初在太平洋上的局勢極爲嚴峻，太平洋艦隊司令尼米茲上將通過對日軍現狀的分析研究，判斷日軍如果發動攻勢的話，中途島必將是首要目標，所以他放下手頭繁忙的工作，於5月2日前往中途島視察。尼米茲仔細檢查了島上的防禦工事，查看了通訊設施和線路，尤其關心對連接珍珠港的海底電話線路的情況，因爲這條線路可以直接通話，又沒有遭到干擾和偵聽的危險，一旦戰鬥打響，將是最重要的通訊線路。
隨後，尼米茲又與中途島守備司令西里爾·賽馬德海軍中校和地面部隊司令哈羅德·香農海軍陸戰隊中校進行了交談，香農中校提出了一連串物資需求，尼米茲問：“是否解決了這些東西，你就能守住中途島？”
香農毫不猶豫地回答：“是的！”尼米茲隨即笑着將他的要求記下來。一回到珍珠港後，尼米茲就將賽馬德和香農的軍銜提升至上校，以表示對他們工作的肯定，並竭盡所能向中途島增調物資和人員。至6月初，中途島的守備部隊增至3000人，飛機也從24架增至120架，其中ＰＢＹ“卡塔林那”水上飛機32架、Ｆ２Ａ“水牛”戰鬥機27架、ＳＢＤ“無畏”俯衝轟炸機16架、ＴＢＦ“復仇者”魚雷機17架、Ｂ－26“掠奪者”轟炸機4架、Ｂ－27“空中堡壘”轟炸機17架。
此外，美國海軍作戰部長金上將要求情報部門密切關注日軍的戰略動向。於是，約瑟夫·羅徹福特中校便擔當了此重任。他曾向尼米茲保證，太平洋艦隊永遠不會缺少情報！爲此，日本海軍90％的電訊往來都被他們所截獲。1942年1月日軍伊－124號潛艇在澳大利亞達爾文港附近被美軍擊沉，美軍隨即派出蛙人潛入海底，打撈起了ＪＮ－25Ｂ密碼本，使羅徹福特的破譯工作獲得了飛躍性的進展，至4月底，美軍已經能夠了解日本海軍大部分通信秘密。
此時，振奮美軍人心的是，日軍原定於４月１日啓用新的ＪＮ－25Ｃ密碼，由於日軍在太平洋上的迅猛發展，佔領區面積十分廣闊，要將新密碼分送到分散在各地的部隊手中，需要不少時間，因此日軍將新密碼的啓用時間推遲到6月1日，這就使得日軍在中途島作戰準備期間的大量電信往來，都不得不使用舊密碼。5月20日，羅徹福特截獲並基本破譯出聯合艦隊司令下發給各部隊的長篇電文，掌握了日軍的作戰計劃，只是由於日軍始終用ＡＦ作爲戰役目標的代號，還無法確定哪裡是日軍的進攻目標。
羅徹福特少校領導的情報小組絞盡腦汁，終於在堆積如山的偵抄電文中找到了一份日軍偷襲珍珠港時的電報，電文曾提到“ＡＦ”，說一架日軍水上飛機需要在“ＡＦ”附近的一個小珊瑚島上加油。因此羅徹福特推斷，“ＡＦ”只能是指中途島。爲進一步證實這一推斷的準確性，駐中途島上美軍奉命用淺顯的明碼拍發了一份作爲誘餌的無線電報，謊稱中途島上的淡水設備發生了故障。果然不久，美軍截獲一份日軍密電，電文中說：ＡＦ可能缺少淡水。一切立時真相大白了。羅徹福特小組以此爲突破口，一下子破譯了反映日軍艦隊作戰計劃的所有通訊。這樣，尼米茲不僅清楚掌握了日軍奪取中途島的戰略企圖，而且還查明瞭其參戰兵力、數量、進攻路線和作戰時間，甚至連對方各艦長的名字都瞭如指掌。
5月24日，尼米茲召集太平洋艦隊司令部的情報、作戰人員會議，羅徹福特的助手韋斯利。賴特海軍少校剛剛成功破譯出了日軍計劃中的最後秘密——日軍將在6月3日進攻阿留申，6月4日進攻中途島。但這又引起了尼米茲的懷疑，爲什麼日軍會將如此機密的作戰計劃全部用電報發送，因爲即便是最保險的密碼，也有被破譯的可能。這會不會是日本的一個圈套呢？尼米茲的考慮是對的。尼米茲一邊毅然決定以這一情報準確無誤爲前提來制定應戰計劃，一邊又授權萊頓在不泄露情報來源的前提下，將日軍作戰計劃用特別備用密碼發送給有關人員，其中“列剋星敦”號航母副艦長莫頓·塞利格曼中校看過這一計劃後竟違反保密規定，將這一情況告訴了好友，《芝加哥論壇報》的戰地記者斯坦利·約翰斯頓。結果這一消息在6月7日便在《芝加哥論壇報》頭版頭條報道出來了。在這個關鍵時刻出這麼一件事，也挺讓人頭疼的。一方面美國情報局怕日軍情報人員看到，從而加強密碼的保密措施，也就會使美國失去最寶貴的情報來源。那怎麼辦呢？對此，美國情報機關爲了不引起日本情報機關的注意，既沒有采取禁止發表的強制措施，也沒有對約翰斯頓進行公開調查和審訊。結果日本情報機關居然沒有對其密碼系統進行徹底改進。這裡面有兩點猜測，或許是沒有注意到這篇報道，或許以爲既然可以公開發表，那就是這篇報道純屬作者爲了吸引讀者的杜撰。但不管出於什麼原因，還是美國情報機關的伎倆得逞了。
5月27日晚，太平洋艦隊司令部以及第16、17特混編隊司令部舉行聯合軍事會議，討論制定作戰方案。出席者有中太平洋艦隊司令尼米茲、參謀長德雷梅爾少將、作戰參謀麥克莫里斯海軍上校和情報參謀萊頓，第16特混編隊有司令斯普魯恩斯、作戰參謀伯雷克中校，第17特混編隊有司令弗萊徹、作戰參謀辛德勒中校。會議決定，在處於兵力劣勢但明晰對方計劃的特定情況下，應以出其不意爲作戰原則，美軍艦隊在中途島以北200海里處隱蔽待命，這一待機地點就以“幸運角”爲代號。此項作戰計劃編號爲太平洋艦隊第29－42號作戰計劃。
5月28日晨，斯普魯恩斯海軍少將率領包括“企業”號、“大黃蜂”號在內的2艘航空母艦，6艘巡洋艦和9艘驅逐艦組成的第16特混艦隊從珍珠港啓航，先行開赴待機海域。兩天後，弗萊徹海軍中將率領“約克城”號航空母艦，2艘巡洋艦和5艘驅逐艦組成的第17特混艦隊也出航了。
6月2日，美軍兩支編隊在距離中途島260海里代號爲“幸運點”的海域會合，共有航空母艦3艘，巡洋艦8艘，驅逐艦14艘，艦載機233架，由弗萊徹少將統一指揮。同時對本土也加強戒備，7艘老式戰列艦因航速太低又無驅逐艦護航，就沒有派往中途島，留在美國西海岸。西部沿海城市舊金山、洛杉磯都停止民用廣播，改爲戰時軍用廣播。在夏威夷，海軍陸戰隊進入戒備狀態；珍珠港已經停工停市，並由工人和職員組織了民防義勇隊在街上巡邏；海軍船廠等要害單位開始實行燈火管制；陸軍醫院騰出牀位，準備接受傷員。美軍已經嚴陣以待！
■海戰打響
6月4日凌晨3時（中途島時間）左右，山本在離前方艦隊數百海里外的“大和”號旗艦上向各艦隊指揮官發出了“準備戰鬥”的電令。此時，南雲中將的航空母艦均已處在中途島西北方向240海里的水域上。
4時30分，南雲的參謀長草野少將下達了攻擊的命令。“赤城”、“加賀”、“飛龍”、“蒼龍”4艘航空母艦上的反光燈突然打開，把飛行甲板照得通亮。從4艘航母上共起飛108架艦載機，其中零式戰鬥機、99式俯衝轟炸機和97式水平轟炸機各36架，每架97式轟炸機攜帶一枚250千克炸彈，每架99式轟炸機則攜帶一枚800千克的炸彈。第一攻擊波機羣在永友文市海軍大尉的率領下，風馳電掣般的向中途島撲去。第一攻擊波飛機剛一起飛完畢，第二攻擊波的飛機迅速從機庫提升到飛行甲板，準備隨時出擊，攻擊隨時可能出現的美國艦隊。第二攻擊波和第一波一樣，也是108架飛機，戰鬥機、轟炸機、魚雷機各36架。轟炸機隊的領隊長機是“蒼龍”號飛行分隊長江草隆繁海軍少佐。
5時52分，由霍華德·艾迪上尉駕駛的ＰＢＹ水上飛機發現日軍機動編隊，並藉助雲層的掩護巧妙避開日軍戰鬥機的攔截，一面監視日軍艦隊一面向中途島報告。這是美軍第一次同日軍航母接觸。日艦無線電監聽清楚地收到它拍發的電報，毫無疑問這是在報告日艦位置。一接到巡邏機報告，在中途島機場待命的4架掛載魚雷的Ｂ－26轟炸機、6架ＴＢＦ魚雷機、12架ＳＢ２Ｕ俯衝轟炸機和16架ＳＢＤ俯衝轟炸機就立即起飛，這樣既可避免遭到日軍飛機的空襲，又能先發制人地攻擊日軍艦隊。已經起飛前去攻擊日軍登陸編隊的Ｂ－17機羣也中途改變航向，飛向日軍航母所在海域。5時55分，中途島的雷達發現日機來襲。
6時，中途島拉響警報，並起飛26架戰鬥機迎擊。一架美軍ＰＢＹ水上飛機一直悄悄尾隨在日軍飛機後，直到距離中途島不到30海里處，才爬升到日軍飛機上方投下一枚照明彈，向戰鬥機報警。美軍戰鬥機看到照明彈後，立即上前攔截日機。從6時45分到7時10分，雙方戰鬥機展開了激烈的空戰，日軍零式戰鬥機再次顯示了它的優越性能，成功擊退了美機的攔截。美機被擊落16架，4架因傷在海上迫降，還有4架被擊傷。日軍只損失2架戰鬥機，而日軍轟炸機和魚雷機，無一損失。
7時整，友永大尉率第一攻擊波飛機返航，並向南雲中將發出了有必要進行第二次轟炸的電報。7時10分，首批從中途島起飛的10架美軍魚雷轟炸機出現在南雲艦隊的上空。美軍飛機排成單行，撲向日航空母艦。在日軍戰鬥機瘋狂的截殺和日艦猛烈的炮火下，美機如同飛蛾撲火，一架接一架墜入大海，一架跟着一架又撲上來，但卻無一命中目標。結果有7架美機被擊落。美機的攻擊使南雲相信中途島的防禦力量還很強，於是決定把原來準備用於對付美艦的飛機改爲對中途島進行第二次轟炸。此時，他仍然沒有發現美軍艦隊。7時15分，南雲下令將在甲板上已經裝好魚雷的飛機送下機庫，換裝對地攻擊的高爆炸彈。
7時30分，南雲突然接到“利根”號巡洋艦派出的一架偵察機發來的電報：“發現敵10艘軍艦，距中途島240海里。”這個消息猶如晴天霹靂，南雲萬萬沒料到美艦隊居然埋伏在那裡。他立即要這架偵察機查明，那支艦隊是不是有航空母艦，同時命令暫停對魚雷機的換彈。就在南雲等待“利根”號派出的那架偵察機的偵察結果時，空中又一次響起了空襲警報，40餘架從中途島起飛的美軍俯衝轟炸機，分成３個編隊向日本艦隊撲來。南雲急忙命令戰鬥機迎戰。美軍轟炸機由於沒有戰鬥機的護航，當然不是日本“零”式戰鬥機的對手。還沒靠近日軍航空母艦，就被擊落了一半，其餘的也被日機逐回，各艘日艦完好無損。
8時10分，那架日軍偵察機終於給南雲發來了“美艦爲5艘巡洋艦和5艘驅逐艦”的報告，南雲這才鬆了口氣。他的參謀長草野主張第二波攻擊中途島，回頭再來對付這10艘軍艦組成的普通艦隊。於是南雲下令繼續對魚雷機換裝炸彈。然而，幾分鐘後，日軍偵察機又發回了一份語意模糊的電文“敵艦似乎由一艘航空母艦墊後”。
這個消息讓南雲陷入了難以抉擇的困境：
一是馬上動用第二波飛機發動一次進攻，但它們大部分都已裝上了準備轟炸中途島的炸彈，是先撤換彈藥，還是即刻起飛呢？而且，如果是即刻起飛，第一波襲擊中途島的飛機已返航，它們的油快用完了。如果等第二波飛機起飛後再讓第一波飛機降落，那麼第一波飛機上的油不會讓它們有等待的時間，它們將掉進海里。
二是在發起攻擊之前，回收第一波機羣以及正在爲艦隊護航的戰鬥機，以便重新裝滿彈藥和油料。這樣將可能發動一次較強的攻勢，但至少需要１個小時的時間。美軍飛機完全有可能利用這段時間發起襲擊。
最後南雲決定採取第二種方案。應該說這是一種危險的方案，但他卻認爲這是正統的戰略戰術。他希望畢其功於一役，而又儘可能減少損失。然而他忽視了時間因素，也許是不太相信美軍艦隊會利用時間差來抓住稍縱即逝的戰機。
於是，南雲下令各艦將已換裝上炸彈的飛機再次送回機庫重新改裝魚雷，收回中途島歸來的第一波飛機，並命令艦隊以30節的航速向北撤離，以避開再來攻擊的美機和取得有利陣位。命令下達後，各艦隻一片忙亂，地勤人員拼命地給魚雷機卸掉重磅炸彈，重新裝上魚雷。這猶如一場炸彈換魚雷，魚雷換炸彈的演練比賽，卸下來的炸彈來不及送至彈藥庫，任意堆放在機庫旁。
他們萬萬沒有想到，正是這些來不及送至彈藥庫的炸彈使得他們的三艘航母很快被擊沉。
■生死5分鐘
在中途島東北海面，由斯普魯恩斯少將和弗萊徹中將率領的第16、第17特混艦隊，負責把守。6月4日拂曉，當中途島派出的“卡塔林娜”式偵察機發回發現日軍航空母艦的報告時，弗萊徹和斯普魯恩斯也接收到了。於是，弗萊徹命令斯普魯恩斯趕緊向南航行，當確實發現敵方航空母艦位置時，即斷然發起攻擊。他又告訴斯普魯恩斯說，等“約克城”號收回了它正在搜索的10架偵察機後，也會立即趕來。斯普魯恩斯推算南雲艦隊在他的艦隊偏西大約200海里處，而且，根據中途島的戰況情報估算，攻擊中途島的日機大約在9時左右就能完成攻擊回到航空母艦加油。機不可失，斯普魯恩斯果斷地下達了進攻的命令。
7時06分，第16特混艦隊兩艘航空母艦上的飛機開始起飛。從“大黃蜂”號航空母艦上起飛了35架“無畏”式俯衝轟炸機、15架“復仇者”式魚雷攻擊機和10架“野貓”式戰鬥機。從“企業”號航空母艦上起飛了33架“無畏”式俯衝轟炸機、14架“復仇者”式魚雷攻擊機和10架“野貓”式戰鬥機。8時40分，第16特混艦隊西面15海里處的第17特混艦隊的17架“無畏”式俯衝轟炸機、12架“復仇者”式魚雷攻擊機和6架“野貓”式戰鬥機也飛離了“約克城”號甲板。
然而“大黃蜂”號和“企業”號卻沒有發現日艦，這是因爲美機飛行高度較高，雲層影響了觀察，加上日艦已向北航行，美機在預定海域沒發現日艦，便向西南搜索，與日艦背道而馳，沒能找到日艦。後來21架轟炸機返回了母艦，14架轟炸機返回了中途島，其中4架在着陸時墜毀，10架戰鬥機則因燃料耗盡都在海上迫降。
與轟炸機羣失散的“大黃蜂”號的15架魚雷機，由第八魚雷機中隊長沃爾德倫少校率領，從低空飛去，於9時20分發現日艦，立即實施攻擊。但魚雷機速度太低，又沒有戰鬥機保護，在日軍50架戰鬥機的攔截下還未投下魚雷就全被擊落。
此時，南雲已完成了出擊準備，102架飛機組成的日軍艦載機攻擊隊已排列就序，整裝待發。五分鐘之內，全部飛機便可起飛。五分鐘！就在這短暫的五分鐘裡，戰局就將發生大逆轉！