大约又过15分钟，15架B-17轰炸机开始突击。这些“飞行堡垒”从6000米(20000英尺)的高空投放炸弹，结果，双方均未受到什么损伤。当上述美机将要退出战斗时，海军陆战队的第二波突击机群向日航空母舰编队飞去。该机群虽以高速低空接敌，但因日军对空炮火猛烈射击和战斗机进行拦截，无法突防和袭击日航空母舰，便对一艘战列舰进行轰炸。这次依然未中一弹，却有2架飞机在海上迫降，没有返回基地。
中途岛海战中首次交锋的结果，显然对日军有利。中途岛基地已被摧毁，日方军舰尚未受到任何损失，可是美军飞机已经损失了二分之一。正如尼米兹所说：“中途岛上能够有效地给敌舰以打击的机种，诸如战斗机、鱼雷机和俯冲轰炸机等，已损失了大部分。”美国航空母舰就是在这种情况下投入战斗的。
美国航空母舰参战
5时52分，当中途岛派出的侦察机首次报告发现日本航空母舰时，美国航空母舰编队位于日本航空母舰机动编队东稍偏北大约200海里处。弗莱彻立刻命令“大黄蜂”号和“企业号航空母舰向西急进，并指示：“一经查明敌舰位置，立即予以攻击。”这时，“约克战”号航空母舰继续向东航行，以便回收拂晓时起飞执行搜索任务的侦察机。
“企业”号航空母舰上的斯普鲁恩斯决定，在突击机群出击前，继续缩小与日舰队之间的距离。这是为了更加可靠地把日本舰队置于美军鱼雷机的175海里的作战半径之内。这是一个很明智的决定。因为日军实际距离比侦察机所报告的距离约远25海里。7时许，在估计离日本航空母舰150海里处，斯普鲁恩斯命令其舰载机起飞。据他判断，此时日军正为袭击中途岛后返航的飞机加油，这是一个难得的好机会。
在准备发起攻击时，两艘航空母舰拉开了距离，各带若干艘警戒舰只，以免重蹈珊瑚海海战的复辙。在珊瑚海海战中，“列克星敦”号和“约克城”号两艘航空母舰在日机袭击下，临时拉开距离，使警戒幕一分为二，因而出观了空隙。两艘航空母舰之间的距离增大后，“企业”号令33架俯冲轰炸机、14架鱼雷机和10架战斗机起飞。“大黄蜂”号的突击机群由35架俯冲轰炸机、15架鱼雷机和10架战斗机组成。为能尽速实施攻击，斯普鲁恩斯命令“企业”号的轰炸机群，不等鱼雷机群全部升空就向目标飞去。“大黄蜂”号的俯冲轰炸机群和鱼雷机群以两种不同的高度飞行。这样一来，突击机群起飞后至8时前后，就已分成四组分别向日本航空母舰飞去。
6时30分许，“约克城”号航它母舰收回侦察机后，立即转向，前去与“企业号”、“大黄蜂”号会合。据弗莱彻判断，日本的航空母舰为4到5艘，但通过侦察仅仅发现其中的2艘。因此，在未查明其他几艘日本航空母舰以前，弗莱彻对是否动用“约克城”号的舰载机问题犹豫不决。8时30分稍过，虽然仍未得到新的敌情报告，但他终于决定，令“约克城”号派出二分之一的舰载机出击。在此后30分钟内，有17架俯冲轰炸机、12架鱼雷机和6架战斗机从“约克城”号起飞。这时，弗莱彻对尚未查明的2至3艘日本航空母舰甚为担心，所以刚过11时又派出侦察机向西和向北进行搜索。
在此期间，南云也极其慎重。尽管从敌情报告中看不出会遇到敌方海上兵力的抗击，但他还是仅仅动用半数飞机去袭击中途岛，而令其余飞机装上鱼雷，在飞行甲板上待命，以便万一出现美舰队时投入战斗。在袭击中途岛的机群出击后，南云命令巡洋舰部队派出7架水上飞机向东和向南进行搜索。这几架飞机在30分钟内先后起飞，而“利根”号巡洋舰的飞机是最后起飞的。
7时，袭击中途岛后返航的突击机群指挥官建议，有必要对中途岛进行第二次突击。此后不久，南云部队就受到中途岛岸基飞机的鱼雷攻击，这说明上述建议是有道理的。到这时为止南云部队的巡洋舰舰载机已经持续搜索2-2.5小时，搜索范围至少已达200海里。对美国舰队的戒备即使放松一点也无关紧要。加之，首次袭击中途岛的机群即将返舰，尚需作好进行补给的准备。
在这种情况下，南云于7时15分下达了一个决定命运的命令：“第二波突击机群立即改装炸弹，作好随时出击的准备”。这个命令下达后13分钟，“利根”号的侦察机报告：“在东北约200海里处发现10艘美国军舰”。不难想象，如果“利根”号的侦察机及时起飞，提早30分钟报告上述情况的话，那么，中途岛海战的结果可能大不一样。美国的水面舰只还在200海里外，尚未构成燃眉之急。但是，南云在7时45分就已命令航空母舰部队：“准备攻击敌舰队，尚未改装炸弹的飞机仍装鱼雷。”直到8时20分，“利根”号的侦察机才报告：在美国军舰里似有一艘航空母舰。
不言而喻，南云知道，一艘美国航空母舰虽然不会给四艘日本航空母舰造成极大威胁，但是先发制人毕竟十分重要。然而，由于需要更换武器，飞机无法立即起飞。加之，从7时5分至8时30分间，由于频领受到中途岛的飞机的攻击，必须一再进行规避运动，这也妨碍了舰载机的起飞。另外，南云部队还遭到美“鹦鹉螺”号潜艇的袭扰，更使日舰陷于混乱状态。“鹦鹉螺”号潜艇收听到侦察机向中途岛基地的报告，获悉发现日本航空母舰的情况，便向敌舰方向驶去。当中途岛岸基飞机进行攻击时，该潜艇在日本机动编队的队形中间伸出潜望镜，发射两条鱼雷，使担任警戒的日军大为混乱，驱逐舰盲目投放深水炸弹。约到8时30分开始回收袭击中途岛后返航的机群时，才结束这种混乱状态。9时18分，最后一架飞机返舰后，南云部队北撤，以便整理队形。南云企图争取时间，使舰载机作好再次出击的准备，以便袭击美国的军舰。然而，为时已晚。就在这时，美军的舰载机已经飞临南云部队的上空。
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