２０架"水牛"式战斗机和６架"野猫"式战斗机则向西北飞去，迎击向岛上飞来的敌机。
清晨６时１６分，中途岛上的所有飞机刚刚起飞完毕，美国战斗机就同日机遭遇。
日本护航的"零"式战斗机队，在美国战斗机还来不及冲入轰炸机群时，就和它们干上了。双方的飞机俯冲、跃升，相互紧咬追逐。日本的战斗机不但在数量上超过迎击的美机，而且在性能上也比对手优越。
由三菱公司生产的Ｍ６２"零"式战斗机，虽然只装１台Ａ９５０马力的发动机，但是由于机体轻巧，最大时速高空可达５３４公里，海平面达４５４公里；机上装两挺７．７毫米机枪和两门２０毫米机炮。
由格鲁门公司生产的ＦＦ４－３"野猫"战斗机，装１台１２００马力发动机，最大时速高空５１５公里，海平面４４１公里；装６挺１２．７毫米机枪。
由布鲁斯特公司生产的ＦＡ２－３"水牛"式战斗机，性能则更差一些。它装１台９５０马力发动机，高空最大时速５１７公里，只有４挺１２．７毫米机枪。
空战的结果，美军战斗机１７架被击落，７架被击伤。日军"零"式战斗机未受损失，也没让"野猫"式战斗机击落１架日方轰炸机。
日本攻击机群扑向中途岛的目标，再也没遭到飞机拦截。轰炸机冒着猛烈的高射炮火频频俯冲，肆意轰炸了２０分钟，炸中了岛上建筑物、油库和一处海上飞机库。
可是，日本轰炸机要在中途岛消灭对方航空力量的企图却落空了。它们所能找到的轰炸目标，不过是空的飞行跑道和几座空机库。岛上所有的飞机都已飞向高空。
领队的友永大尉在袭击结束后，驾机巡视了全岛。他虽然看到中途岛已经成了一片浓烟滚滚的火海，但是也发现岛上的跑道并未被彻底破坏。他认为有必要对中途岛实施第２波攻击。他所率领的第１攻击波飞机，弹药已尽，油料也所剩无几，只得返航了。
这时太平洋中部时间是早晨７时。友永大尉从飞机上向南云舰队发出电报："突击机群返航，有必要再次袭击。"他的机群在轰炸中途岛的过程中，被地面的防空炮火击落了１／３。其余的飞机在霞光映红的天空中逐渐远去，最后只留下微弱的嗡嗡声。
美国舰队准备反击
就在南云的突击舰队向中途岛发动第１波空袭的同时，美国方面也在积极准备发动对日本入侵舰队的反击。６月４日黎明，日出前半小时，美国海军第１７特混编队指挥官弗莱彻少将，从"约克城"号航空母舰上派出了１０架侦察机，去搜寻敌人的舰队。不过首先发现日本军舰的，还是从中途岛起飞的"卡塔莱纳"式水上侦察机。
当天清晨５时２５分，霍华德·艾迪上尉驾驶着１架从中途岛起飞的"卡塔莱纳"侦察机，在靠近南云突击舰队航行的海域时恰巧钻出了云层。当他发现那一大批灰色的敌人舰只时，着实吓了一跳。"发现敌人的航空母舰"，艾迪用无线电向基地报告。
弗莱彻少将接到敌人舰队的确切情报后，却不能从他所乘坐的"约克城"号航空母舰上派出舰载飞机首先出击，因为他所派出的１０架侦察机这时燃油都快用完了，需要把飞行甲板空出来，先让侦察机降落。
清晨６时０７分，弗莱彻少将向"企业"号航空母舰上的斯普鲁恩斯少将发去电报，命令第１６特混编队首先向敌舰队发平空袭；第１７特混编队随后跟上。
斯普鲁恩斯少将本来计划继续航行３小时，也就是当天上午９时，再出动舰载飞机进行攻击。因为到那时，他同日本舰队之间的距离，将缩短到１６０海里以内。这对于航程有限的舰载攻击机和战斗机，作战比较有利。
不过他的参谋人员提出了不同意见。特混编队参谋长米尔斯·布朗宁上校认为，如果把出击时间定在上午７时而不是９时，那么就能使出击飞机在日军航空母舰最脆弱的时刻，也就是在他们空袭中途岛的飞机返回母舰降落的时刻，正好抵达敌舰上空发动攻击。
斯普鲁恩斯是个勤奋好学、肯动脑筋的指挥官。他性格内向，不爱抛头露面，喜欢独处。为了锻炼身体，他常在甲板上来回跑步；有时则躲在小舱室内，一个人连续几小时研究海图。只有在他认为值得冒险的时候他才勇往直前。现在他的决心正面临着考验，如果采纳参谋长的建议，那么由于飞行距离比计划远了，危险也就增大了。他的攻击机和护航战斗机，都可能由于油料耗尽而无法返航。要是在平时，他是不会去冒这种危险的。而这一次，由于有可能给日本舰队来个突然袭击，他也就把危险置之度外了。
经过深思熟虑，他做出的关系此次战役胜败的第１个重要决定，是采纳布朗宁上校的意见，把出击时间提前到７时；第２个同样重要的决定，是命令两艘航空母舰上的大部分飞机，出动参加袭击，用主要力量打击敌人。
当时，第１６特混编队所辖的两艘母舰，拥有飞机的数量分别是："企业"号７９架，"大黄蜂"号７９架。
早晨７时０２分，１４架"毁灭者"式鱼雷攻击机、３２架“无畏"式俯冲轰炸机在１０架"野猫"式战斗机护航下，从“企业"号起飞；１５架"毁灭者"、３５架"无畏"在１０架“野猫"护航下，从"大黄蜂"号起飞。这样，总共２９架鱼雷攻击机、６７架俯冲轰炸机，在２０架战斗机护航下，离开航空母舰，远程奔袭敌人舰队。它们的油量只够勉强返航，但是飞行勇士们义无反顾，个个奋勇驰向杀敌战场。斯普鲁恩斯少将只留下８架"无畏"式战斗机，用来保护自己编队的安全。
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