在珊瑚海海戰之後，趙繼統和山本五十六策劃了一個龐大的“中途島作戰計劃”，其意圖在於進一步摧毀美軍艦隊以便日本海軍可以在太平洋島鏈上專心鞏固防禦。山本認爲必須儘早進行這類決定性戰役。
該戰役計劃包括一次佯攻作戰:派遣第五艦隊(包括輕型航母兩艘，巡洋艦五艘，驅逐艦十三艘，運輸船四艘)進攻阿留申羣島，空襲荷蘭港並進一步入侵基斯卡島和阿圖島，山本相信這次攻擊足以將美國艦隊--可能包括航母--從珍珠港吸引到北方。這次作戰其實是山本爲換取軍令本部的支持而發動的與中途島作戰平行的作戰行動。
當第五艦隊攻擊阿留申羣島時，第一突擊編隊(包括艦隊航母四艘，戰列艦二艘，巡洋艦三艘，驅逐艦十二艘)將對中途島發動空襲並摧毀後者的空中力量。上述行動完成後，第二艦隊(輕型航母一艘，戰列艦二艘，巡洋艦十艘，驅逐艦二十一艘，運兵船十一艘)將派出5000步兵從美國海軍陸戰隊手中奪取中途島環礁。上述對中途島的佔領行動會將美國航母編隊重新吸引向西方，而第一突擊編隊將設下埋伏將它們殲滅。
此後，第一艦隊(輕型航母一艘，戰列艦七艘，巡洋艦三艘，驅逐艦十三艘)將與第二艦隊的部分兵力會合，共同將剩餘的美國海軍太平洋艦隊兵力聚殲。爲應對突發情況，山本設置了兩項預警措施。第一項是派出海軍重型水上飛機川崎二式大艇對珍珠港進行遠程空中偵察，確保美軍航母正在港內待命，稱爲“K作戰”；第二項是設置潛艇防線，以便在美軍航母前往中途島時儘早向第一突擊編隊、第一艦隊和第二艦隊通報敵方的行動。
但實際上，空中偵察行動因故取消（後詳），潛艇也推遲到美軍航母已經出擊後方才就位。中途島戰役的作戰計劃制定過程充滿妥協和匆忙(爲趕在對馬海峽海戰紀念日暨日本海軍節當日派出艦隊）但在日軍看來，計劃本身頗爲周詳，組織嚴密，時機掌握得也很好。
相對於日軍計劃投入決戰的四艘艦隊航母，二艘輕型航母，十一艘戰列艦，十六艘巡洋艦和四十六艘驅逐艦，美國海軍只拼湊得出三艘航母、八艘巡洋艦和十五艘驅逐艦，可見兵力懸殊。交戰雙方只在大型航母數量，可供調動的飛機數量以及潛艇數量上才較爲接近。從計劃上看，如果不出意外的話，日本將擁有一面倒的巨大優勢。
對於指揮官來說最可怕的事莫過於敵人對自己的作戰計劃瞭如指掌，而趙繼統的存在恰好做到了這一點。美方不但知道了全盤的作戰計劃，更早已掌握了日本海軍D號密碼(美軍稱爲JN-25)，美國太平洋艦隊司令切斯特·威廉·尼米茲海軍上將成功地破解了山本設下的兩項預警措施並將美方僅有的部隊配置在最適合對日軍航母實施伏擊的位置上。
據尼米茲上將計算，他的三艘大型航母再加上中途島機場，勉強足夠與南雲指揮的第一突擊編隊抗衡。在五月份接報有日軍水上飛機進行騷擾性空襲之後，尼米茲立刻派遣一艘掃雷艇前去守衛日軍計劃給參加K作戰的水上飛機加油的地點，導致偵察行動取消，山本無法確定美軍航母是否一直在珍珠港裡待命(山本派出的騷擾性空襲，引起了美軍的警覺)。
尼米茲也提早派遣美軍航母離港，趕在山本的潛艇警戒線成型以前進入伏擊地點，使山本的所有預警措施歸於無效。日軍按時對阿留申羣島展開了象徵性的攻擊，但美軍航母專心設伏，沒有被引誘北上。山本本以爲美軍航母要在數日之後才能趕來救援中途島，沒想到****凌晨，南雲忠一海軍中將率第1機動編隊（航空母艦4艘、艦載機260多架、其他作戰艦艇17艘）進至中途島西北240海里海域，4時30分派出第1波飛機108架飛往中途島。
島上美軍發出警報，飛機升空迎敵，展開激戰。日軍轟炸機襲擊機場，炸燬部分地面設施。由於島上防禦得到加強，機場跑道未被摧毀。在此期間，南雲的機動編隊多次受到美軍岸基飛機的偵察、襲擾和攻擊。南雲遂決定再次攻擊中途島。7時15分，美軍岸基**機結束攻擊，南雲卻下令已掛上**準備攻擊美國航空母艦的第2波飛機改裝**攻擊中途島。
7時28分，日軍偵察機報告發現美國艦隊。此時，在中途島東北海域待機的美國特混艦隊正向日機動編隊接近，並已派出第一、第二波飛機200多架。8時20分，日本偵察機報告美國艦隊似有1艘航空母艦。南雲於是命令攻擊中途島的第一波飛機和擔任空中戰鬥巡邏任務的戰鬥機返航，隨後率領艦隊北駛，以免遭到襲擊，並重新部署對敵艦隊的攻擊。
約9時20分於10時26分，正當日軍第2波飛機正在卸下**、重掛**的混亂之際，美國艦載**機和俯衝轟炸機連續攻擊南雲的航空母艦。日方雖有部分戰鬥機臨空迎戰，但爲時已晚。日軍損失航空母艦4艘（“赤城號”、“加賀號”、“蒼龍號”、“飛龍號”）、重巡洋艦1艘、飛機285架，人員3500名；美軍損失航空母艦1艘（“約克敦號”）、驅逐艦1艘、飛機約150架，人員307名。
鑑於第1機動編隊損失慘重，山本於5日下令停止中途島作戰，率聯合艦隊西撤。美軍乘勢追擊，於6日派艦載機3次出擊，又擊沉日軍重巡洋艦1艘，擊傷巡洋艦、驅逐艦數艘。鑑於航空兵力已經全滅而水面艦艇又尚未爲一場艦隊決戰集結完畢，山本試圖重新配置他那在數量上仍舊強大的艦隊來埋伏美軍艦艇。
但是他原來的計劃將水面艦艇配置得過於遠離中途島，而且美軍指揮官雷蒙德·斯普魯恩斯海軍中將基於一份來自情報部門的報告，謹慎地早早向東撤退而並未中伏。斯普魯恩斯並不知道日軍陣列中擁有包括大和號在內的數艘戰列艦，如果在中途島進行夜戰他的航母和巡洋艦將處於不利的位置。
此時山本準確地判斷他已沒有勝算，遂宣佈放棄佔領中途島的任務並全軍撤退。這次失敗使山本持續六個月的成功歷程告一段落，日軍的擴張也到此爲止。