这时已有迹象表明，日军在中途岛附近的作战，还不如阿留申群岛方面进展得倾利。角田刚令其突击机群离舰，就接到山本的命令，要他速与机动编队会合。几乎与此同时，山本又通知他，中途岛作战和对阿留申群岛作战延期实施。角田部队用了两个多小时将飞机收回后，转向南下，前去与南云部队会合。但是，山本在幕僚们的再三建议下，这时又改变了决心，同意阿留申登陆部队按原定计划执行。然而，北方部队指挥官细萱海军中将将作战计划作了一些改动，决定不在阿达克岛登陆。因为新发现的沃特角美军机场离阿达克岛仅有350海里。所以他认为在阿达克岛登陆太冒险了。
6月6日中午刚过，日海军特别登陆队约1250人登上了基斯卡岛，俘虏了美国一个小气象站的工作人员。翌日拂晓，日陆军部队约1200人在阿图岛登陆，拘留了39名阿留申人和一名美国传教土及其妻子。直到6月10日，美军巡逻机才发现这两个岛上的日军。
在中途岛海域首次发现日本舰队(6月3日)
中途岛的PBY水上飞机，每天拂晓起飞。前往中途岛以西700海里的海域进行搜索，这一搜索距离是经过计算的，它可保证日航空母舰机动编队到达其舰载机起飞阵位之前必被发现。5月底至6月初的数日间，除中途岛西北350海里以外的海域因天气恶劣无法执行计划外，对其余海域都进行了切实可靠的搜索。
在这次海战中，首次发现日本舰队是在6月3日早晨。当时，美军一架巡逻机报告：“在中途岛西南约700海里处发现6艘大型军舰编队航行。”中途岛基地指挥官和航空母舰编队指挥官作出了正确判断：“这是日军登陆编队”。由于估计到日军将从中途岛西北方向实施主要突击，所以美航空母舰便在中途岛东北偏北约300海里处待机，中途岛基地的部队也都严阵以待。直到下午，仍未发现日军的其他部队，便令9架B-17型轰炸机携带副油箱从中途岛起飞。这9架飞机约于16时30分实施攻击，但无战果。入夜后，首次击中目标的是4架装备雷达的水上飞机。这几架飞机携带鱼雷从基地起飞，于夜间击伤1艘日本油船。但在这批飞机返回基地前，中途岛已经受到日军的空袭。
日军航空母舰部队空袭中途岛(6月4日)
正如美军指挥官所料，日军航空母舰部队是借助气象峰面的掩护从西北方向接近中途岛的。6月4日4时30分，日出前半小时，在距中途岛240海里处，南云命令突击机群起飞。该机群共为108架飞机，战斗机、轰炸机和鱼雷机各36架。当时，天公作美，仅有少许散云，能见度良好，又是东南风，飞机起飞时航空母舰无需改变航向。
与此同时，在美军方面，巡逻机和往常一样，4时15分起飞，B-17型轰炸机也接着升空，以免在地上遭受突然袭击。5时45分，一架PBY型巡逻机用明码报告：“大批飞机正向中途岛飞来，方位320度，距离150海里。”5时50分，中途岛基地雷达站在93海里处捕捉到来袭的飞机。但是，日本的航空母舰在哪里呢？又过了两分钟，中途岛基地指挥官和美国航空母航编队指挥官才得到答案。一架PBY型飞机报告：“在中途岛的320度方位。180海里处发现2艘航空母舰，并有警戒舰只。”但所报告的距离不对，比日军的实际位置少报40海里。这一误差给美军舰载机尔后的战斗带来了困难。接着，在空中待命的B-17型轰炸机立即前去袭击日本航空母舰。同时，在机场待命的陆战队轰炸机、4架B-26型轰炸机和6架TBF型鱼雷机，也起飞去袭击日本航空母舰。
此时，日军飞机已离中途岛越来越近。美国海军陆战队的战斗机在距中途岛30海里的空域与日机遭遇。美军的飞机仅对日军轰炸机进行一、两次攻击就得转攻为守，设法甩掉日军战斗机的追击。因为日本零式战斗机的空战性能远比美军的优越。
中途岛基地的高射炮，待日军机群进入射程后，一齐开火。6时30分，日军飞机投下第一颗炸弹，经过近30分钟的轰炸，地面设施几乎全部遭到破坏。发电场中弹，油罐起火，飞机库被毁，只有飞机跑道幸免于难。空袭结点后，海军陆战队战斗机奉命着陆。然而，着陆的飞机少得可怜，26架中就有16架下落不明，残存的飞机中只有2架可以投入以后的战斗；而日军飞机只有6架未能返回航空母舰。
中途岛美军奋起抗击(6月4日)
中途岛的美军飞机虽对日本航空母舰进行了非常勇敢的抗击，但因兵力不多，且分散，故未取得战果。然而，这次抗击日军入侵还是起了积极作用，使日军在关键时刻犹豫不定，未能很好发挥其舰载机的威力。这样，就使美国航空母舰有了取胜的可能。
7时稍过，B-26型轰炸机和TBF型鱼雷机从低空同时实施攻击，但由于日军施放烟幕，并进行规避运动，加之高炮猛烈射击和零式战斗机进行拦截，美机没有取得任何战果。而且，6架鱼雷机中损失5架，4架B-26型轰炸机损失2架，返回机场的3架飞机也遭到重创，不能参加尔后的战斗。
此后约过1小时，海军陆战队的洛夫顿·亨德森少校率侦察轰炸中队对敌舰实施攻击。这些飞行员刚从航校毕业，毫无俯冲轰炸经验，只好在敌人的抗击下进行危险的下滑轰炸。结果，被攻击的“飞龙”号航空母舰安然无恙，而实施攻击的16架美机只有8架返回中途岛，其中6架也遭到了重创。
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