南雲忠一認爲美軍能在這個方向投入戰鬥的航母應該只有一個月半前參與襲擊東京的約克城號和黃蜂號，因爲列剋星敦號和黃蜂號航母都在珊瑚海海戰中受傷，而其他薩拉託加號航母還在維修。另外加上在夏威夷島上的陸基飛機可能有一兩百架，這樣的話美軍的空中力量不足以對艦隊構成大威脅。
南雲忠一始終認爲之前的戰術欺騙成功了，美國人沒有想到聯合艦隊會傾巢而出攻擊夏威夷，所以他的心中對本次戰役充滿了期望。不過他不知道尼米茲在珍珠港中創造了一個奇蹟，受傷的黃蜂號還沒有回到珍珠港的時候，這裡的維修船塢中就已經準備好了各項器具，等到黃蜂號進港後，幾千民工人立即登艦，只用了3天時間就將黃蜂號受損的甲板和艦上建築進行了更換。甚至連鍋爐都大修了一遍。日軍艦隊逼近珍珠港的時候，黃蜂號和其他幾艘航母一起起航了。這樣一來從主力航母來看，日美雙方的比例是4：3，而不是南雲忠一以爲的4：2。
不過尼米茲非常聰明地隱藏了實力，他讓第17特遣艦隊和第16特遣艦隊圍繞夏威夷兜圈子，避開南雲忠一的機動編隊。珍珠港中起飛的陸基偵察機以及珍珠港潛艇部隊可以時刻掌握日軍主力編隊和機動編隊的位置，並不需要航母的艦載偵察機進行偵查，這樣以來，尼米茲能掌握日本人的位置，而山本五十六和南雲忠一則不知道美軍航母的位置。
花了兩天的時間，南雲忠一圍繞夏威夷島兜了三圈都沒有發現美軍的航母編隊，他心中覺得很是不安，因爲不可能這個時候美軍將航母編隊調走了，那兩艘航母和他們的輔助艦隻一定等在某個地方，待航母編隊和主力編隊對珍珠港發起攻擊的時候他們就會出來從後面捅一刀子。
南雲忠一多疑的性格讓他不敢放手對珍珠港發起進攻，只是低烈度地派出偵察機和轟炸機到夏威夷執行轟炸和偵查的任務。不過山本五十六很快等不住了，因爲一紙電報從東京傳了過來，根據在美國的諜報人員的偵查，薩拉託加號航母已經維修完畢，艦載機也入駐了，可能幾天之內就能從美國的東海岸啓航前往珍珠港。於是曠世大海戰爆發了。
6月8日一大早，太陽剛剛躍升到海面上，在海面上拖出長長的影子，南雲忠一就下達了出擊的命令。在飛行員休息室中的日本飛行員吃掉了祝捷的飯糰，帶上飛行帽奔向了自己的飛機。艦載攻擊機和負責護航的零式戰鬥機一架接一架起飛，結成編隊浩浩蕩蕩向珍珠港飛去。
於此同時，山本五十六指揮的主力編隊也展開了自己的攻擊姿態，水上飛機母艦千代田號、日進號將自己攜帶的水上飛機吊到海面上起飛，前去轟炸預定的目標。鳳翔號輕型航母則放出了自己的艦載機爲整個艦隊進行護航。戰列艦彈出了自己的偵察機，開始對周圍的海面進行偵查，大和號、長門號、陸奧號戰列艦上的主炮做好了發射的準備。
早上8點15分，就在去年12月7日第一枚炸彈落入珍珠港的時間，日軍轟炸機抵達了珍珠港。第一波攻擊機羣主要由俯衝轟炸機和戰鬥機組成，不過這一次迎接他們的是嚴陣以待美軍陸基戰鬥機。大量的P40和P38開始了跟日軍的纏鬥，拼命阻止日軍轟炸機將炸彈投擲下來。空中到處都是呼嘯而過的飛機，地面上騰起了一股股黑煙。等到日軍轟炸機進入俯衝後，地面防空炮火像不要錢一樣對着空中射出一片片彈幕，像綻開的死亡之花。
美國跟日本不一樣，美國人一開始就很注意火力，所以尼米茲從美國本土獲取的物資中，有很大的一部分是高射炮。尼米茲冒險走出司令部，觀察着空戰的情況，他非常滿意的是日軍到現在並沒有成功地擊中任何有價值的軍事設施。日本的零式戰鬥機性能的確不錯，但是數量上較P40和P38要少，這一樣以來根本無法有效掩護己方的轟炸機進入俯衝路線，到處都可以看到美軍的戰鬥機在追逐着日軍的轟炸機。
就在尼米茲慶幸自己放下姿態，要了這麼多陸基戰鬥機過來的時候，他聽到了一陣火車駛過的聲音，然後不遠處的一處岸防炮掩體突然塌陷了下去，然後其內部發出了一聲沉悶但是巨大的爆炸聲。是日軍戰列艦發射的穿甲彈
尼米茲立即回到司令部，命令向特遣艦隊發報，顯然日軍戰列艦已經抵達了珍珠港的附近至少20海里的範圍之內。接到尼米茲的電報後，斯普魯恩斯少將和哈爾西少將帶領這兩隻特遣艦隊向珍珠港方向駛來，終於不再兜圈子了。
艦隊駛來還要一個小時，這一段時間內，珍珠港得靠自己來抵禦日本人。潛艇部隊隨後報告了兩個日軍編隊的具體位置，然後大量的陸基轟炸機起飛，在戰鬥機的掩護下浩浩蕩蕩地向日軍的航母編隊飛去。
南雲忠一派出的第一波攻擊機羣並沒有對珍珠港中的美軍設施進行像樣的破壞，只有幾枚炸彈命中了維修船塢，讓那裡變成一片火海。出擊的80多架艦載攻擊機和戰鬥機幾乎全部折損在夏威夷上空。
南雲忠一併沒有派出第二波攻擊機羣，因爲第一波攻擊機羣已經達到了自己的戰略目的，他們吸引了美國人，並掩護了主力編隊對珍珠港的炮擊。南雲忠一知道可能不久後美軍的陸基作戰飛機就會飛臨其上空，他命令放出一部分作爲掩護艦隊用的零式戰鬥機，並命令另外一批直掩機做好出擊的準備。
果然50多架美軍轟炸機在20多架戰鬥機的掩護下抵達了南雲忠一的機動編隊上空。零式戰鬥機撲了上去，美軍轟炸機一部分攜帶了魚雷，而另一部分則攜帶了1000公斤的重磅炸彈。陸基轟炸機飛行員原本很少接受對艦攻擊的訓練，所以這次雖然在海軍的偵察機帶領下成功抵達了日軍艦隊的上空，但是攻擊的效果不是太好。全部的魚雷都沒有發揮作用，雖然有兩枚魚雷命中了正在釋放戰鬥機的赤城號航母，不過卻沒有爆炸。只有一枚炸彈擦着飛龍號航母的船舷掉入海中，這枚炸彈將飛龍號的艙壁炸開了一個口子，沖天的海水捲走了一架停在甲板上的零式戰鬥機。
等到美軍的攻擊結束後，南雲忠一一邊命令收回直掩機，並給攻擊機掛上炸彈，用作第二波攻擊用。山本五十六已經發來電報告訴南雲忠一珍珠港在炮擊中損失嚴重，現在正是最好的時機。就在南雲忠一要命令攻擊機起飛的時候，一封電報令他改變了主意。伊—9號潛艇報告發現了一隻美軍的艦隊，距離南雲忠一不遠。南雲忠一立即命令攻擊機卸下炸彈，掛上魚雷，準備攻擊美軍艦隊。
等地勤掛好魚雷後，伊—9號潛艇又發來電報宣稱那只是一隻美軍的補給船隊，沒有發現大型水面艦只。南雲忠一把提到嗓子眼的心放了回去，再次命令攻擊機掛上炸彈，準備攻擊珍珠港。
可是幾分鐘後，偵察機報告發現了美軍的艦隊，這樣一來南雲忠一又手忙腳亂了，重行命令掛上魚雷。這一番魚雷換炸彈，炸彈換魚雷的事情讓四艘航空母艦上的地勤累壞了，換下來的炸彈沒有按照條例收回到武器庫中，而是胡亂地堆在了甲板上。並且甲板上到處都是加油的軟管，甚至連飛機的起降都受到了混亂的影響。
日軍的攻擊機羣起飛後半個小時，就在空中遭遇了美軍航母放出的艦載機。雙方不約而同的擦肩而過，沒有對對方發起進攻。
在美國海軍飛機抵達日軍航母編隊上空之前，珍珠港上起飛的第二波陸基攻擊機搶先到達了，這一次美軍派出的是清一色的轟炸機，沒有護航戰鬥機。雖然美國陸軍很勇敢，但是很顯然他們在技術上還不足，攻擊仍然沒有成效，零式戰鬥機在低空到處追逐着B17轟炸機。
就在這個時候，航母艦載機抵達了日軍上空，直到這些無畏式俯衝轟炸機進入俯衝後，日軍才發現。航母、巡洋艦和驅逐艦上的對空火力全開，企圖阻止美國人將炸彈扔到航母頭上。但是海軍的對艦攻擊技術顯然比陸軍好得多，而且關鍵的是，現在護航的零式戰鬥機全部在低空劫殺陸軍派出的攜帶了魚雷的B17轟炸，根本沒有人防守高空。於是分成2箇中隊的分別無畏式俯衝轟炸機攻擊了赤城號航空母艦和加賀號航空母艦，接踵而來的是17架從約克城號航空母艦上起飛的無畏式俯衝轟炸機則專門攻擊蒼龍號航空母艦。日軍的3艘航空母艦剎那間變成了三團火球，堆放在機庫裡的飛機、燃料和未及時處理的高爆炸彈引起大爆炸，火光直衝雲霄，短短的5分鐘，日本三艘航空母艦被徹底炸燬了。只有飛龍號僥倖躲過了攻擊。