Сутринта на 4-ти юни Нагумо атакува със 108 самолета Мидуей, като държи в готовност останалите самолети за евентуална контраатака при поява на вражески кораби. Атаката е успешна, японците понасят минимални загуби, но пилотитте докладват, че е необходима втора атака за да бъдат изпълнени целите. Нагумо нарежда втора вълна, чиято цел са летищата на острова. Започва свалянето на торпедата от неговите самолети и заменянето им с бомби, които да поразят пистите. След започване на преворъжаването бива получено съобщение за наближаващи американски кораби, а след минути и допълнение, че в съединението има и самолетоносач. Японците сменят курса, започват да сменят бомбите и да ги заместват отново с торпеда, като успяват да избегнат първата вълна американски самолети. Когато пристигат първите  41 самолета на САЩ, силите на Нагумо – предимно изтребители – свалят 35 от тях без да понесат каквито и да било

загуби. Командването и войниците се убеждават напълно, че победата ще е тяхна, че САЩ са изненадани, и че това ще е лесна битка.

Пристигат пикиращи бомбардировачи от “Ентърпрайз” (Enterprise), който атакуват от 6000 метра височина и са недостижими за японските изтребители, които току-що са свалили самолетите от предната атака и летят на 3000 метра височина. 37-те самолета “Дъглас” , водени от капитан Маклъски, извършват истинско чудо – взривяват флагмана самолетоносач “Акаги” (Akagi) , подпалват самолетоносача “Кага” (Kaga), а третият самолетоносач – “Сорю” (Sōryū) е ударен от три половинтонни бомби и е напуснат от екипажа. “Хирю” (Hiryū) остава единственият незасегнат самолетоносач в съединението и атакува набързо ремонтираният ”Йорктаун” (Yorktown) и му нанася непоправими щети. Екипажът го напуска, а след часове 24 американски самолети, сред които и 10 оцелели от “Йорктаун” засичат “Хирю” и го потапят.

Така за минути основна част от японският флот е унищожена, Мидуей е спасен, а опасностите за Пърл Харбър вече са минало. Започва началото на краят за японското морско превъзходство, а САЩ спокойно дочакват краят на годината, когато са пуснати на вода тежките самолетоносачи клас “Есекс“, които изцяло променят хода на войната.

Ямамото, сам и напълно изолиран решава да вкара в битката и линейните кораби, но загубата на четвъртият

самолетоносач променя плановете му. Той все пак прави опит да вкара американците в капана, като вика съединенията от

Алеутските острови, но предпазливостта и познанията на адмирал Спруънс – командващ самолетоносачите ”Ентърпрайз” и “Хорнет” (Hornet) предодвратяват американски загуби и обкръжаването на флота.

На 5-ти и 6-ти юни американски самолети и кораби потапят тежкият крайцер “Микума” (Mikuma) , като повреждат тежко крайцерът ”Могами” (Mogami).

На 7-ми юни японска подводница намира и атакува горящият “Йорктаун” и го потапя, а след това попадение на торпедо потапя и разрушителя „Хамън“ (Hammann) – единствените две загуби на флота на САЩ в битката.