1942年5月初在太平洋上的局势极为严峻，太平洋舰队司令尼米兹上将通过对日军现状的分析研究，判断日军如果发动攻势的话，中途岛必将是首要目标，所以他放下手头繁忙的工作，于5月2日前往中途岛视察。尼米兹仔细检查了岛上的防御工事，查看了通讯设施和线路，尤其关心对连接珍珠港的海底电话线路的情况，因为这条线路可以直接通话，又没有遭到干扰和侦听的危险，一旦战斗打响，将是最重要的通讯线路。
随后，尼米兹又与中途岛守备司令西里尔·赛马德海军中校和地面部队司令哈罗德·香农海军陆战队中校进行了交谈，香农中校提出了一连串物资需求，尼米兹问：“是否解决了这些东西，你就能守住中途岛？”
香农毫不犹豫地回答：“是的！”尼米兹随即笑着将他的要求记下来。一回到珍珠港后，尼米兹就将赛马德和香农的军衔提升至上校，以表示对他们工作的肯定，并竭尽所能向中途岛增调物资和人员。至6月初，中途岛的守备部队增至3000人，飞机也从24架增至120架，其中ＰＢＹ“卡塔林那”水上飞机32架、Ｆ２Ａ“水牛”战斗机27架、ＳＢＤ“无畏”俯冲轰炸机16架、ＴＢＦ“复仇者”鱼雷机17架、Ｂ－26“掠夺者”轰炸机4架、Ｂ－27“空中堡垒”轰炸机17架。
此外，美国海军作战部长金上将要求情报部门密切关注日军的战略动向。于是，约瑟夫·罗彻福特中校便担当了此重任。他曾向尼米兹保证，太平洋舰队永远不会缺少情报！为此，日本海军90％的电讯往来都被他们所截获。1942年1月日军伊－124号潜艇在澳大利亚达尔文港附近被美军击沉，美军随即派出蛙人潜入海底，打捞起了ＪＮ－25Ｂ密码本，使罗彻福特的破译工作获得了飞跃性的进展，至4月底，美军已经能够了解日本海军大部分通信秘密。
此时，振奋美军人心的是，日军原定于４月１日启用新的ＪＮ－25Ｃ密码，由于日军在太平洋上的迅猛发展，占领区面积十分广阔，要将新密码分送到分散在各地的部队手中，需要不少时间，因此日军将新密码的启用时间推迟到6月1日，这就使得日军在中途岛作战准备期间的大量电信往来，都不得不使用旧密码。5月20日，罗彻福特截获并基本破译出联合舰队司令下发给各部队的长篇电文，掌握了日军的作战计划，只是由于日军始终用ＡＦ作为战役目标的代号，还无法确定哪里是日军的进攻目标。
罗彻福特少校领导的情报小组绞尽脑汁，终于在堆积如山的侦抄电文中找到了一份日军偷袭珍珠港时的电报，电文曾提到“ＡＦ”，说一架日军水上飞机需要在“ＡＦ”附近的一个小珊瑚岛上加油。因此罗彻福特推断，“ＡＦ”只能是指中途岛。为进一步证实这一推断的准确性，驻中途岛上美军奉命用浅显的明码拍发了一份作为诱饵的无线电报，谎称中途岛上的淡水设备发生了故障。果然不久，美军截获一份日军密电，电文中说：ＡＦ可能缺少淡水。一切立时真相大白了。罗彻福特小组以此为突破口，一下子破译了反映日军舰队作战计划的所有通讯。这样，尼米兹不仅清楚掌握了日军夺取中途岛的战略企图，而且还查明了其参战兵力、数量、进攻路线和作战时间，甚至连对方各舰长的名字都了如指掌。
5月24日，尼米兹召集太平洋舰队司令部的情报、作战人员会议，罗彻福特的助手韦斯利。赖特海军少校刚刚成功破译出了日军计划中的最后秘密——日军将在6月3日进攻阿留申，6月4日进攻中途岛。但这又引起了尼米兹的怀疑，为什么日军会将如此机密的作战计划全部用电报发送，因为即便是最保险的密码，也有被破译的可能。这会不会是日本的一个圈套呢？尼米兹的考虑是对的。尼米兹一边毅然决定以这一情报准确无误为前提来制定应战计划，一边又授权莱顿在不泄露情报来源的前提下，将日军作战计划用特别备用密码发送给有关人员，其中“列克星敦”号航母副舰长莫顿·塞利格曼中校看过这一计划后竟违反保密规定，将这一情况告诉了好友，《芝加哥论坛报》的战地记者斯坦利·约翰斯顿。结果这一消息在6月7日便在《芝加哥论坛报》头版头条报道出来了。在这个关键时刻出这么一件事，也挺让人头疼的。一方面美国情报局怕日军情报人员看到，从而加强密码的保密措施，也就会使美国失去最宝贵的情报来源。那怎么办呢？对此，美国情报机关为了不引起日本情报机关的注意，既没有采取禁止发表的强制措施，也没有对约翰斯顿进行公开调查和审讯。结果日本情报机关居然没有对其密码系统进行彻底改进。这里面有两点猜测，或许是没有注意到这篇报道，或许以为既然可以公开发表，那就是这篇报道纯属作者为了吸引读者的杜撰。但不管出于什么原因，还是美国情报机关的伎俩得逞了。
5月27日晚，太平洋舰队司令部以及第16、17特混编队司令部举行联合军事会议，讨论制定作战方案。出席者有中太平洋舰队司令尼米兹、参谋长德雷梅尔少将、作战参谋麦克莫里斯海军上校和情报参谋莱顿，第16特混编队有司令斯普鲁恩斯、作战参谋伯雷克中校，第17特混编队有司令弗莱彻、作战参谋辛德勒中校。会议决定，在处于兵力劣势但明晰对方计划的特定情况下，应以出其不意为作战原则，美军舰队在中途岛以北200海里处隐蔽待命，这一待机地点就以“幸运角”为代号。此项作战计划编号为太平洋舰队第29－42号作战计划。
5月28日晨，斯普鲁恩斯海军少将率领包括“企业”号、“大黄蜂”号在内的2艘航空母舰，6艘巡洋舰和9艘驱逐舰组成的第16特混舰队从珍珠港启航，先行开赴待机海域。两天后，弗莱彻海军中将率领“约克城”号航空母舰，2艘巡洋舰和5艘驱逐舰组成的第17特混舰队也出航了。
6月2日，美军两支编队在距离中途岛260海里代号为“幸运点”的海域会合，共有航空母舰3艘，巡洋舰8艘，驱逐舰14艘，舰载机233架，由弗莱彻少将统一指挥。同时对本土也加强戒备，7艘老式战列舰因航速太低又无驱逐舰护航，就没有派往中途岛，留在美国西海岸。西部沿海城市旧金山、洛杉矶都停止民用广播，改为战时军用广播。在夏威夷，海军陆战队进入戒备状态；珍珠港已经停工停市，并由工人和职员组织了民防义勇队在街上巡逻；海军船厂等要害单位开始实行灯火管制；陆军医院腾出床位，准备接受伤员。美军已经严阵以待！
■ 海战打响
6月4日凌晨3时（中途岛时间）左右，山本在离前方舰队数百海里外的“大和”号旗舰上向各舰队指挥官发出了“准备战斗”的电令。此时，南云中将的航空母舰均已处在中途岛西北方向240海里的水域上。
4时30分，南云的参谋长草野少将下达了攻击的命令。“赤城”、“加贺”、“飞龙”、“苍龙”4艘航空母舰上的反光灯突然打开，把飞行甲板照得通亮。从4艘航母上共起飞108架舰载机，其中零式战斗机、99式俯冲轰炸机和97式水平轰炸机各36架，每架97式轰炸机携带一枚250千克炸弹，每架99式轰炸机则携带一枚800千克的炸弹。第一攻击波机群在永友文市海军大尉的率领下，风驰电掣般的向中途岛扑去。第一攻击波飞机刚一起飞完毕，第二攻击波的飞机迅速从机库提升到飞行甲板，准备随时出击，攻击随时可能出现的美国舰队。第二攻击波和第一波一样，也是108架飞机，战斗机、轰炸机、鱼雷机各36架。轰炸机队的领队长机是“苍龙”号飞行分队长江草隆繁海军少佐。
5时52分，由霍华德·艾迪上尉驾驶的ＰＢＹ水上飞机发现日军机动编队，并借助云层的掩护巧妙避开日军战斗机的拦截，一面监视日军舰队一面向中途岛报告。这是美军第一次同日军航母接触。日舰无线电监听清楚地收到它拍发的电报，毫无疑问这是在报告日舰位置。一接到巡逻机报告，在中途岛机场待命的4架挂载鱼雷的Ｂ－26轰炸机、6架ＴＢＦ鱼雷机、12架ＳＢ２Ｕ俯冲轰炸机和16架ＳＢＤ俯冲轰炸机就立即起飞，这样既可避免遭到日军飞机的空袭，又能先发制人地攻击日军舰队。已经起飞前去攻击日军登陆编队的Ｂ－17机群也中途改变航向，飞向日军航母所在海域。5时55分，中途岛的雷达发现日机来袭。
6时，中途岛拉响警报，并起飞26架战斗机迎击。一架美军ＰＢＹ水上飞机一直悄悄尾随在日军飞机后，直到距离中途岛不到30海里处，才爬升到日军飞机上方投下一枚照明弹，向战斗机报警。美军战斗机看到照明弹后，立即上前拦截日机。从6时45分到7时10分，双方战斗机展开了激烈的空战，日军零式战斗机再次显示了它的优越性能，成功击退了美机的拦截。美机被击落16架，4架因伤在海上迫降，还有4架被击伤。日军只损失2架战斗机，而日军轰炸机和鱼雷机，无一损失。
7时整，友永大尉率第一攻击波飞机返航，并向南云中将发出了有必要进行第二次轰炸的电报。7时10分，首批从中途岛起飞的10架美军鱼雷轰炸机出现在南云舰队的上空。美军飞机排成单行，扑向日航空母舰。在日军战斗机疯狂的截杀和日舰猛烈的炮火下，美机如同飞蛾扑火，一架接一架坠入大海，一架跟着一架又扑上来，但却无一命中目标。结果有7架美机被击落。美机的攻击使南云相信中途岛的防御力量还很强，于是决定把原来准备用于对付美舰的飞机改为对中途岛进行第二次轰炸。此时，他仍然没有发现美军舰队。7时15分，南云下令将在甲板上已经装好鱼雷的飞机送下机库，换装对地攻击的高爆炸弹。
7时30分，南云突然接到“利根”号巡洋舰派出的一架侦察机发来的电报：“发现敌10艘军舰，距中途岛240海里。”这个消息犹如晴天霹雳，南云万万没料到美舰队居然埋伏在那里。他立即要这架侦察机查明，那支舰队是不是有航空母舰，同时命令暂停对鱼雷机的换弹。就在南云等待“利根”号派出的那架侦察机的侦察结果时，空中又一次响起了空袭警报，40余架从中途岛起飞的美军俯冲轰炸机，分成３个编队向日本舰队扑来。南云急忙命令战斗机迎战。美军轰炸机由于没有战斗机的护航，当然不是日本“零”式战斗机的对手。还没靠近日军航空母舰，就被击落了一半，其余的也被日机逐回，各艘日舰完好无损。
8时10分，那架日军侦察机终于给南云发来了“美舰为5艘巡洋舰和5艘驱逐舰”的报告，南云这才松了口气。他的参谋长草野主张第二波攻击中途岛，回头再来对付这10艘军舰组成的普通舰队。于是南云下令继续对鱼雷机换装炸弹。然而，几分钟后，日军侦察机又发回了一份语意模糊的电文“敌舰似乎由一艘航空母舰垫后”。
这个消息让南云陷入了难以抉择的困境：
一是马上动用第二波飞机发动一次进攻，但它们大部分都已装上了准备轰炸中途岛的炸弹，是先撤换弹药，还是即刻起飞呢？而且，如果是即刻起飞，第一波袭击中途岛的飞机已返航，它们的油快用完了。如果等第二波飞机起飞后再让第一波飞机降落，那么第一波飞机上的油不会让它们有等待的时间，它们将掉进海里。
二是在发起攻击之前，回收第一波机群以及正在为舰队护航的战斗机，以便重新装满弹药和油料。这样将可能发动一次较强的攻势，但至少需要１个小时的时间。美军飞机完全有可能利用这段时间发起袭击。
最后南云决定采取第二种方案。应该说这是一种危险的方案，但他却认为这是正统的战略战术。他希望毕其功于一役，而又尽可能减少损失。然而他忽视了时间因素，也许是不太相信美军舰队会利用时间差来抓住稍纵即逝的战机。
于是，南云下令各舰将已换装上炸弹的飞机再次送回机库重新改装鱼雷，收回中途岛归来的第一波飞机，并命令舰队以30节的航速向北撤离，以避开再来攻击的美机和取得有利阵位。命令下达后，各舰只一片忙乱，地勤人员拼命地给鱼雷机卸掉重磅炸弹，重新装上鱼雷。这犹如一场炸弹换鱼雷，鱼雷换炸弹的演练比赛，卸下来的炸弹来不及送至弹药库，任意堆放在机库旁。
他们万万没有想到，正是这些来不及送至弹药库的炸弹使得他们的三艘航母很快被击沉。
■ 生死5分钟
在中途岛东北海面，由斯普鲁恩斯少将和弗莱彻中将率领的第16、第17特混舰队，负责把守。6月4日拂晓，当中途岛派出的“卡塔林娜”式侦察机发回发现日军航空母舰的报告时，弗莱彻和斯普鲁恩斯也接收到了。于是，弗莱彻命令斯普鲁恩斯赶紧向南航行，当确实发现敌方航空母舰位置时，即断然发起攻击。他又告诉斯普鲁恩斯说，等“约克城”号收回了它正在搜索的10架侦察机后，也会立即赶来。斯普鲁恩斯推算南云舰队在他的舰队偏西大约200海里处，而且，根据中途岛的战况情报估算，攻击中途岛的日机大约在9时左右就能完成攻击回到航空母舰加油。机不可失，斯普鲁恩斯果断地下达了进攻的命令。
7时06分，第16特混舰队两艘航空母舰上的飞机开始起飞。从“大黄蜂”号航空母舰上起飞了35架“无畏”式俯冲轰炸机、15架“复仇者”式鱼雷攻击机和10架“野猫”式战斗机。从“企业”号航空母舰上起飞了33架“无畏”式俯冲轰炸机、14架“复仇者”式鱼雷攻击机和10架“野猫”式战斗机。8时40分，第16特混舰队西面15海里处的第17特混舰队的17架“无畏”式俯冲轰炸机、12架“复仇者”式鱼雷攻击机和6架“野猫”式战斗机也飞离了“约克城”号甲板。
然而“大黄蜂”号和“企业”号却没有发现日舰，这是因为美机飞行高度较高，云层影响了观察，加上日舰已向北航行，美机在预定海域没发现日舰，便向西南搜索，与日舰背道而驰，没能找到日舰。后来21架轰炸机返回了母舰，14架轰炸机返回了中途岛，其中4架在着陆时坠毁，10架战斗机则因燃料耗尽都在海上迫降。
与轰炸机群失散的“大黄蜂”号的15架鱼雷机，由第八鱼雷机中队长沃尔德伦少校率领，从低空飞去，于9时20分发现日舰，立即实施攻击。但鱼雷机速度太低，又没有战斗机保护，在日军50架战斗机的拦截下还未投下鱼雷就全被击落。
此时，南云已完成了出击准备，102架飞机组成的日军舰载机攻击队已排列就序，整装待发。五分钟之内，全部飞机便可起飞。五分钟！就在这短暂的五分钟里，战局就将发生大逆转！