1942年6月4日（東京時間6月5日），日美海、空軍在中途島展開激戰。
4月從美國航空母艦“大黃蜂號”上起飛的16架艦載機空襲東京等地，日本舉國震動。5月初大本營決定進攻中途島，殲滅美太平洋艦隊的航母編隊。爲此，山本五十六制定了“AF作戰計劃”。“AF”是中途島的代號。
5月20日，日本柱島內海錨地集結了壹支由200多艘艦艇組成的艦隊，它分爲佯攻艦隊、運輸艦隊和主攻艦隊。由南雲忠壹中將率領由“赤城號”、“飛龍號”等4艘航空母艦及近350艘各類艦艇組成的第壹機動部隊直趨中途島。占領中途島只是其目的之壹，重要的是，當美國海軍前來馳援時，要把所有美國艦艇送到海裏喂魚。因此，進攻中途島投入的兵力並不太大，只要保證登陸就行；衆多艦只則埋伏在中途島附近海域內，等待聚殲美國海軍的支援艦隊。
但這只是日本的單相思，日本各艦隊間的無線電通訊均被美國海軍截獲。在美國截獲的電報屯屢屢出現“AF”字樣，它顯然是指壹個重要目標。美國海軍經反複研究，確定“AF”是指中途島。在珍珠港事件後，中途島的前哨作用尤爲突出，美國海軍正把它擴建爲巡邏機前進基地。
盡管美國海軍部把日本海軍的企圖了解得壹清二楚，卻拿不出什麽有效的對策。它的太平洋艦隊只有3艘航空母艦：企業號，大黃蜂號和約克敦號。美國海軍所能辦的事就是火速增援中途島。人員、沙袋、鐵刺網大量運到島上，尼米茲上將調集“企業號”等3艘航空母艦、7艘重巡洋艦、15艘驅逐艦及大批艦載機等于中途島海區，大批轟炸機中隊也駐到了島上，嚴陣以待。與此同時，他們辦了件聰明事，這就是把約克敦號埋伏在中途島東北200海裏的海面上。
6月3日，日本艦隊在雨幕掩蔽下，開始進入攻擊位置。在進攻即將發起前，山本得到兩條情報，其中壹條是對的，壹條是錯的，正確的壹條情報是，全速駛向中途島的日本運輸艦隊正受到空中監視，美方已料到日方的意圖，中途島的美方轟炸機有可能發動先發制人的攻擊。錯誤的壹條情報是，美方幸存的航空母艦尚遠在所羅門群島。山本對這兩條情報都不懷疑，壹門心思考慮如何對付來自中途島的轟炸機，而把美國航空母艦抛諸腦後了。
在山本艦隊的南面，是主攻中途島的南雲航空母艦艦隊，艦隊以24節的航速前進，艦隊的中央是4艘大型航母。
6月4日，當黎明的最初壹抹淡暈出現在海天之際時，赤城、加賀、飛龍和蒼龍4艘航母上的泛光燈大開，照亮了飛行甲板。壹個批次又壹個批次的俯沖轟炸機、水平轟炸機和零式戰鬥機從航母跑道上起飛，以環形隊列轟鳴著繞艦壹周，然後向東南方疾飛而去。
但中途島的美軍早有准備。當日軍飛機逼近時，美軍野貓式戰鬥機中隊騰空而起，沖入轟炸機群。日本轟炸機所能找到的轟炸目標，不過是空空的飛行跑道，所有的美軍飛機都已升空。美國轟炸機群出現在日本艦隊的上空。它們沒有戰鬥機護航，排成單列，穿過炮火，直撲赤城號大型航母，輪流扔下魚雷後又躍人高空。
從事後的報道來看，美國轟炸機的這次打擊雖然沒有給日本航母艦隊造成損失，但給統轄這支艦隊的司令長官南雲中將嚇了壹跳，他以後壹驚壹乍，指揮越來越亂。航空母艦最怕的是艦載機飛完壹個輪次，回來續油或裝彈時，對方來轟炸，這時艦載機無法起飛，只有幹等著挨炸。也許只是湊巧，美軍轟炸機壹批批的飛臨，尖厲的空襲警報壹次次響遍整個艦隊。航母上的軍械士剛裝上魚雷，怕影響飛機起飛離艦，又匆匆卸下。這樣折騰了幾次，整個艦隊被調排得瘋狂暴躁，疲憊不堪。
當日本航母正在采取壹系列緊急行動時，美國航母也在緊張地期待著。偵察機不斷提供准確情報，美國人按兵不動。他們知道，這是壹場死亡遊戲，誰准確把握出擊時機，誰就能得分。
當從中途島返回的最後壹架日軍飛機降落到航母甲板之後，美國的15架劫掠者魚雷轟炸機出現了。這是行將過時的機種，又沒有戰鬥機護航，是來送命的。50架零式戰鬥機迎上去，當15個小黑點中的最後壹個化爲壹縷煙火消失殆盡時，日本水兵齊聲喝采，采聲未絕，兩隊美國魚雷轟炸機又排成單列飛來。零式戰鬥機又撲上前去，美國轟炸機被猛烈密集的彈雨壹架壹架地擊毀，所施放的魚雷全部被規避，沒造成任何傷害。美國轟炸機群幾乎全軍覆沒，當僅存的幾架搖搖晃晃地飛走後，激戰的喧囂逐漸平息下來。零式戰鬥機回到母艦上加油，有功人員受到陣陣歡呼。但他們突然間聽到了不祥的聲音。（
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就在這時，從企業號和約克敦號起飛的轟炸機群悄悄地逼近了，它們恰恰在日本人無法還手的最佳時機來到。從空中望下去，龐大的日本艦隊排成壹個環形，護衛圈的當中是4艘航空母艦。所有飛機都整齊地排在甲板上，它們剛打完勝仗，這是最安逸的時候。美國俯沖轟炸機從晴空呼嘯而下，沒有壹架零式戰鬥機來得及起飛迎擊，艦上的高炮直到最後壹分鍾才開火。
南雲的旗艦赤城號是頭壹個報銷的。炸彈穿透了甲板，在艦體深處爆炸，引起艦內的炸彈爆炸，艦體由深處引起壹陣陣顛簸，把燃燒的飛機抖落進大海。僅僅6分鍾，它就完了。接著是加賀號迅速下沈。與此同時，蒼龍號也成了壹座爆炸燃燒的地獄，它的欲裂殘斷的巨大屍骸燃著熊熊烈火漂蕩在波光粼粼的太平洋上。
僅存的飛龍號航空母艦上，飛行員聽到這樣的訓示：他們是日本國僅存的航母飛行員了。他們受命炸沈美國航母約克敦號。飛龍號找約克敦號拼命去了。約克敦號挨了幾顆致命的炸彈，卻還沒有沈沒，但艦長不得不發出棄船的命令。
就在飛龍號找約克敦號拼命時，企業號和大黃蜂號上的所有飛機都被調集起來，它們從午後的太陽中鑽出，沖向飛龍號。飛龍號上的零式戰鬥機與兩艘航空母艦的飛機戰鬥已是力不從心，不大會兒，從中途島飛來的空中堡壘也加入了戰鬥。隨後，更多的空中堡壘飛臨戰場，它們竟然是從遙遠的珍珠港趕來的。這時，空中已沒有零式戰鬥機，飛龍號只是個任由美國轟炸機擺布的軀殼了。
隨著4艘航母的毀滅，山本知道拿下中途島無望了。日本艦隊已到達中途島的外圍，他卻連炮擊中途島的命令都沒有下，6月5日淩晨3時，他下了壹道相反的命令：“取消中途島的占領行動。”接著，日本艦隊便掉頭往回疾駛。美國人卻也沒有追。
此戰中，日軍損失航空母艦4艘、重巡洋艦1艘、飛機150架、兵員3500余人。美軍損失航空母艦“約克敦號”1艘、驅逐艦1艘。
但對于日本軍國主義者來說，中途島之戰真正使他們痛心的，還不在丟了幾艘航母和幾百架飛機，而是損失了幾百名經驗豐富的飛行員和機務人員。而對大日本帝國來說，威風被打掉了倒在其次，重要的是，在中途島前，它企圖稱霸太平洋的行徑被截止在中途！”從此，日軍被迫轉入守勢，雙方力量對比發生逆轉。
