海里外，其他飞机搜索半径均为300海里。
由于当时日军侦察机没有装备雷达，全靠目力观察，按通常的惯例应采取双相搜索进行侦察，即
各侦察机顺利升空，但原定在搜索扇面中央担任侦察任务的“利根”号和“筑摩”号两艘巡洋舰上的4架侦察机却因弹射器发生故障而未能准时起飞，待到其升空执行任务时，已比预定的出发时间晚了整整30分钟时间。这是一个严重的非同寻常的失误。接着，“筑摩”的6号机在搜索途中由于引擎发生故障，不得不于3时35分提前返航。整个侦察任务安排马虎，成了日本中途岛海战惨败的致命原因。
从美军的计划看，美特混舰队就在这一架折返的飞机的搜索区内。如果没有返航，自然会发现而且可以由日舰队先发制人；如果有第二批侦察机也可能发现。由于飞机的故障却出现了漏洞，而敌舰队恰好就在这个漏洞里，这对美军来说真是无法想象的幸运。
且说在南云把空袭中途岛的第一攻击波刚放走，就下令把第二波飞机从机库提升到飞行甲板。因为这是山本在出发前特意叮嘱安排的，主要是时刻准备提防和攻击有可能出现的美特混舰队。第二波飞机也是108架。
飞行甲板上摆满了这样多的飞机，无疑对美军也是一个极大的诱惑。当时在场的渊日美津雄中佐说
6月5日晨，美霍华德·艾迪上尉驾驶着大型水上飞机在中途岛西北200海里的上空侦察飞行，当他穿过断云时，突然在水天线处发现了日本舰队。艾迪立即打开他的收发报机
蔡斯驾机悄悄地跟踪日机队，在离中途岛不到30海里的地方，他抢先飞到日机群上空，发射了1颗降落伞照明弹，向早已在空中严阵以待的26架“野猫”式战斗机报警。
空中拦截战开始了，但美机不是性能优良的“零”式机的对手。经过15分钟的激战，日本战斗机共击落15架美机，而自己未损1架，使全部轰炸机躲开了美机的拦击，安全抵达中途岛上空。
可是，早已作好充分准备的美国人已把岛上的飞机全部派到上空，机场上空空如也，偷袭珍珠港的那种便宜事再也没有了。日本轰炸机仅仅只能对东岛机场、机库、机场跑道及其他地面设施进行袭击和轰炸。第一次攻击没有达到预期目的。心情沮丧的第一攻击波指挥官友永在返航时向航空母舰请示
接到友永的电报后，南云司令部的参谋们展开了激烈的争论。有人主张为防备敌特混舰队，应维持现状。但也有人认为此次作战的目的在于攻占中途岛，应趁此机会彻底摧毁敌人的基地，掩护登陆部队顺利登陆。在这紧要关头，南云最后选择了进行第二次攻击，轰炸中途岛。
由于停在飞行甲板上的第二波飞机装备的是鱼雷和轰炸军舰用的重磅炸弹，要作陆地进攻就必须将鱼雷和炸弹全部卸下来，换成攻击陆地目标用的80号炸弹。4艘航空母舰的勤务人员奉命后，立即开始换装。但这是一件很麻烦的工作，要从战斗机之外的72架飞机上取下鱼雷和船舰用炸弹，换上陆地用炸弹，再快也需要1小时到1小时30分钟的时间。
“快！快！”
地勤人员及飞行员都在急急地换装，司令官、参谋以及舰长们也都在焦急地等待换装完成。正在这时，航空母舰上突然响起了空袭警报，中途岛岸基飞机对南云舰队的一连串空袭开始了。
首批来袭的美机共有6架海军鱼雷机和4架陆军B—26轰炸机。它们既没有战斗机护航，也不打算和日本战斗机纠缠，不顾日舰发射的猛烈炮火，径直扑向日本旗舰“赤城”号。当4架B一26轰炸机从左舷以7O米高度掠海而来正欲投弹时，“零”式战斗机迎上“前去，顿时就有3架美机毙命，剩下的一架丢下鱼雷落荒而逃。
“赤城”舰上的喝彩声还未结束，就听到舰桥了望哨的大声呼叫
原来“利根”号上因故障晚起飞半小时的4号侦察机，由于走错了航线歪打正着，意外地发现了美特混舰队。飞行员来不及仔细观察便立刻向南云舰队发报
这封急电把“赤城”号舰桥上的人都惊呆了。这么快就出现了美舰队，对南云和他的参谋来说，真犹如晴天霹雳。此时出击中途岛的第一攻击波的机群已陆续返航，舰上正匆忙进行飞机的回收工作。
情报参谋小野海军大尉立即在海图上查明了美舰所处的位置
“准备就绪的攻击机应该立即起飞！”
“陆用炸弹不顶用了，必须重新换装鱼雷！”
南云虽然很后悔没有派出第二批侦察机和未记住山本五十六长官要求“攻击机至少要有半数装上鱼雷待命”的嘱咐，可是他仍然不太相信美舰会在这样近的距离。于是他下令侦察机
6时20分，侦察机又发来电报
这是一份具有决定性意义的报告。南云和他的参谋们从自信和疑惑中清醒过来，原以为不可能出现的敌航空母舰果然出现了，不幸就在眼前。南云在这一紧要关头又开始犹豫
不宜立即派飞机去歼灭美舰队有三个原因。第一，实施鱼雷轰炸是日本海军航空兵的专长，水平轰炸无论如何也不理想，效果也差，而俯冲轰炸的效果也不见得好多少。第二，南云已派不出战斗机来为轰炸机护航。他的战斗机已全部升空，有的正随友永的飞机一起在天上盘旋，有的正在追歼中途岛的陆基攻击飞机的残兵败将，还有一部分受了伤。所有这些飞机上的油料都已所剩无几。最后还有一个重要问题，不清理出飞行甲板，就无法回收攻击中途岛后返航的飞机，这关系到100多架精锐飞机的生存。
在“飞龙”号上以勇猛著称的第2航空母舰战队司令官山口再也沉不住气了，马上向南云发出信号
于是各舰再度换装鱼雷和对舰炸弹。一架架刚刚换上普通陆用炸弹整齐排列在甲板上等待起飞的轰炸机，不得不再次回到甲板下的机库中改装鱼雷。可是，要全部完成武器换装这一繁重的任务，最快也得需要2个小时。时间非常紧迫，反复装卸所带来的作业量也是巨大的。各母舰上立刻陷入一片混乱
正当南云舰队手忙脚乱地换装炸弹时，在中途岛东北海面，由弗莱彻和斯普鲁恩斯率领的第16、17特混舰队，就像一个耐心等待的猎人，一连几天一直全神贯注地静候猎物的到来。现在机会终于来了。斯普鲁恩斯决心不放弃这次难得的机会，对南云部队进行第一次攻击，打它一个措手不及。
日本时间6时25分，从“大黄蜂”号上起飞的15架鱼雷机，在“赤城”号右前方蔚蓝色的天空出现。但是这些飞机在5分钟之前就被南云舰队的警戒舰发现，加之飞机性能差，又没有战斗机掩护，没过多久，15个空中黑点便一个接一个地爆炸消失了。所有美鱼雷机全部被50架零式战斗机击落，30名空勤人员中只有一人幸存。
6时30分，从“企业”号起飞的14架鱼雷机，依然没有战斗机护航，紧贴海面从两舷呼啸着直奔“苍龙”号。此时，日舰要想避开全部鱼雷机似乎已不可能。这惊险紧张的场面，几乎令人窒息。但由于24架零式战斗机的顽强拦截，它们还没有来得及投雷，就有10架拖着浓烟栽到海里。只有4架向“苍龙”号发射了鱼雷，但没有一条鱼雷命中。
接着从“约克城”号起飞的第3鱼雷轰炸机中队又发现了南云的舰队。12架鱼雷机试图从左舷向“飞龙”号扑去。但在日本战斗机的攻击下，只有5架有机会向“飞龙”号发射了鱼雷。“飞龙”号赶紧右转舵，规避了泡沫飞溅的鱼雷。投弹后的美机又有3架在企图退出战斗时被击落，只有2架死里逃生。
至此从3艘美航空母舰上出动的共41架鱼雷机，只有6架得以生还，更可悲的是，美机所投鱼雷竟无一枚命中日航空母舰。美国航空母舰的200来架飞机开战以来由于各种原因总共只剩下54架了。
在舰上观看这场惊心动魄战斗场面的日本人，兴高采烈，为己方战斗机的勇敢善战欢呼喝彩。南云的心情也逐步好转。3个小时内，他的舰队遇到了美军不下8次的空袭。然而他的舰只除因扫射而有一些小的损坏外，没有一艘被击中。同时，他回收了自己的93架飞机，给它们加了油，并使它们作好了起飞准备。此刻，南云踌躇满志，这回该轮到他发起进攻了。7时20分，他下达了“第二攻击波准备起飞”的命令。
各航空母舰调整位置，对向逆风，准备让飞机起飞。甲板上已换好鱼雷的攻击机的螺旋桨一齐开始转动。第一架飞机从“赤城”号上腾空而起。“再有5分钟攻击机就可全部起飞了”，舰上所有人员都在暗暗祈祷。
就在这时，美俯冲轰炸机突然冲破云层，以迅雷不及掩耳之势向日本航空母舰扑来。一声震耳的爆炸声在右舷炸响，黑黑的水柱几乎遮住了太阳，溅起的海水将舰桥上的人们浇得浑身湿淋淋的。
与此同时，炸弹也落向“苍龙”号和“加贺”号。在“赤城”号前面急驶的“加贺”号突然向左急旋，同时以高射炮射击，就在这瞬间，“加贺”号周围升起数支大水柱，有4枚炸弹命中“加贺”号，其中1枚正中舰桥旁边的1辆加油车，整个舰桥和周围甲板区顿起熊熊大火，除了飞行长外，在舰桥上指挥的舰长等主要人员当场毙命。
“‘加贺’号被击中了。”有人大声叫着。时间是7时25分。
“赤城”号也开始射击。视界虽好，但云量7，云高3000米，这种情况只有利于美机发动进攻。只要美机从云层中穿出就可对航空母舰进行攻击，而舰队对此措手不及。但见首批3架美机那令人生畏的机身越来越大，朝着“赤城”号压将下来，许多黑色的东西从机翼下凄厉地摇晃而下。
刹那间，一道明亮夺目的闪光照得舰桥上的军官们眼花缭乱，炽热的气浪猛烈冲来，将他们掀翻在地。“赤城”号被两枚炸弹击中，一颗落在飞行甲板中部升降机后面大约15米的地方，一颗落在飞行甲板后段。炸弹把飞行甲板穿了两个大洞，升降机炸得像一块烧卷了的玻璃板，塌向机库，后段的飞行甲板奇形怪状地向上翻翘着。
在震耳欲聋的爆炸声中，整整齐齐排列在甲板上的飞机瞬间被笼罩在一片火海之中，并引爆了刚才随手丢掉的那批800公斤重的高爆炸弹和鱼雷。几秒钟内，一枚又一枚的炸弹发生剧烈爆炸，炽热的大火从舱内喷出，四处蔓延，惊人的爆炸声此起彼伏，致命的碎片到处飞舞。每一次爆炸都震撼着航空母舰舰体，军舰的下面整个机库已成火海一片，东倒西歪、颠簸摇晃的“赤城”号，不断把燃烧的飞机沿着甲板抖落进沸腾的大海。
此时山本五十六所率领的主力舰队正通过中途岛西北约800海里的海域向东驶去，距南云舰队约有500海里。“大和”舰上的司令部并不知道南云舰队反复换装炸弹，浪费时间，使舰上出现一片混乱的狼狈状况。
最初，在“利根”舰派出的4号侦察机发回发现航空母舰的报告时，山本的联合舰队司令部也接收到了。山本和他手下的参谋们听说有一艘美航空母舰处在机动部队攻击范围之内，感到很高兴。参谋长宇垣在日记中写道
黑岛提醒山本说
不久“大和”号就收到了机动舰队的电报
电报是第8战队司令官阿部弘毅少将从“利根”舰上发来的。阿部是南云舰队的副指挥官。尽管电报内容中没有提到，但它实际上已经暗示出
这时，联合舰队司令部的一位参谋激愤地向山本建议
实际上这时已经来不及了。3艘航空母舰的甲板已经向上卷曲变形，舱内的熊熊烈火无情地冲到甲板上来。连续的诱发引爆，使飞机已经无法起飞。
不管怎样，救援要紧。山本向他的舰队下令将航速增至20节，向中途岛方向疾驰而去。同时命令北方的角田舰队率航空母舰“龙骧”号和“隼鹰”号火速南下，与本舰队协同，前往救援。
“赤城”号舰上，烈火和浓烟包围着舰桥。这艘巨舰在中弹后不到20分钟，就全面丧失了作战能力，与外界的通信联络被中断。南云面对这一惨状，呆若木鸡。只得同意部下恳求他撤离“赤城”号的要求，将司令部迁到巡洋舰“长良”号上。
“苍龙”号的损坏程度并不亚于“赤城”号和“加贺”号。13架俯冲轰炸机的轮流俯冲轰炸，使该舰在几分钟内就中弹3枚，其中1枚正中前部飞行甲板，后两枚击中了中部升降机。大火迅速蔓延到下面的油库和弹药库，诱发起阵阵爆炸，主机停转，舵机失灵，消防系统遭到破坏。舰员被迫离开战位，但他们无处可逃，诱发的巨大爆炸的气浪把许多人一下子掀到了海里。中弹20分钟后，舰长不得不下令弃舰。
此时在中途岛海域内，唯一没有受损伤的航空母舰是“飞龙”号。它是第2航空战队司令官山口多闻的旗舰。舰长加来止男大佐亲自操纵方向舵，先后躲开26枚鱼雷和70颗炸弹的攻击而幸存了下来。
在“赤城”、“加贺”、“苍龙”3艘航空母舰遭到重伤失去战斗能力之后，山口少将担负起航空舰队的指挥任务。山口少将在日海军中被认为是勇敢、富有远见、头脑清晰而又当机立断的第一流将才，深得山本五十六的赏识。当他查实美国的机动舰队是由“企业”号、“大黄蜂”号和“约克城”号组成这一情况后，毫不犹豫地决定马上对美航空母舰发动进攻。
7时58分，18架俯冲轰炸机和6架零式战斗机从“飞龙”号的甲板上隆隆升空。曾经参加偷袭珍珠港的老兵小林道夫海军大尉机警地尾随着一些直接返回“约克城”号的美国飞机，向“约克城”靠近，在30海里处，被18架“野猫”式战斗机发现。随之就是性能优越的“零”式机和数量上占优势的“野猫”式之间空前激烈的空战，其场面壮观激烈，令人叹为观止。空中格斗打得离“约克城”号越来越近。等双方飞机厮杀到航空母舰上空时，已有10架日机被击落，剩下的8架轰炸机穿过“约克城”号的护航舰艇在其周围筑起的防空火力网，向母舰猛冲。小林的飞机被击毁