Утром 20 июня американские самолеты-разведчики провели поиск на дистанцию 325 миль от своих авианосцев, но противника не обнаружили. Хотя японцы в течение ночи имели скорость всего 18 узлов, они все еще находились в 75 милях от границы зоны поиска. Днем 12 «Хеллкэтов» провели самый дальний вылет американских авианосных самолетов за всю войну. Они пролетели 475 миль. Кроме подвесных баков, каждый истребитель нес 500-фн бомбу. Все пилоты были добровольцами. Но и этот поиск не увенчался успехом – японцы словно растворились в бескрайнем океане. Самая последняя информация о японских авианосцах, которую имел адмирал Митчер, поступила сутки назад от подводной лодки «Кавэлла».
20 июня в 5.30 адмирал Одзава отправил на разведку 9 гидросамолетов с крейсеров, а в 6.45 – еще 6 гидросамолетов. Один из самолетов второй группы через полчаса после взлета ошибочно сообщил, что видит 2 американских авианосца. Адмирал Одзава все еще собирался следовать намеченному плану, то есть 20 июня заправить свои корабли с танкеров и атаковать американцев 21 июня. Это сообщение насторожило адмирала, и он приказал 3-й дивизии авианосцев отправить на разведку еще 3 торпедоносца. Эти самолеты взлетели в 13.00, а в 17.00 за ними последовали 16 самолетов ударной группы. В 17.15 разведывательные самолеты заметили корабли Оперативного Соединения 58, но ударная группа не сумела найти американцев.
Хотя кораблям Одзавы требовалось топливо, строй Первого мобильного флота рассыпался, и потребовалось много времени, чтобы навести порядок. Приказ начать заправку был отдан только в 12.30. Но прежде чем удалось подать топливные шланги с танкеров, заправка была отменена из-за переполоха, вызванного сообщением о замеченных американских авианосцах. В итоге 20 июня ни один из кораблей Одзавы так и не заправился. Отчасти этот хаос был вызван слабыми средствами связи крейсера, на который перешел адмирал после гибели «Тайхо». С трудностями удалось справиться лишь в 13.00, когда Одзава перешел на «Дзуйкаку» – последний уцелевший эскадренный авианосец из числа атаковавших Пирл-Харбор. Именно там Одзава узнал истинные масштабы поражения в воздушных боях 19 июня. Однако он верил, что 4 авианосца, 1 линкор и 1 большой крейсер американцев «потоплены или повреждены». Более того, в японском отчете о бое говорится: «Нет оснований полагать, что и другие корабли не были повреждены или даже потоплены». У Одзавы оставалось около 100 самолетов на авианосцах, сколько-то самолетов уцелели на Гуаме и Рота. Адмирал твердо намеревался 21 июня дать американцам новый бой.
Но после полудня 20 июня на борт «Дзуйкаку» поступило сообщение одного из крейсеров сопровождения, в котором говорилось, что перехвачено сообщение американских самолетов-разведчиков. Из него стало ясно, что противник все-таки обнаружил Первый мобильный флот. После этого адмирал Одзава немедленно приказал своим кораблям увеличить скорость до 24 узлов.
Японцы обнаружены
Японский флот был замечен в 15.40 «Авенджером» авианосца «Энтерпрайз». Его пилот, лейтенант Роберт С. Нельсон, стал первым американским пилотом, который увидел японский флот во время этого боя. В 15.42 сообщение Нельсона было получено на флагмане адмирала Митчера авианосце «Лексингтон». Митчер принял решение очень быстро. Солнце заходит через 3 часа, то есть, если самолеты вылетят для атаки японских кораблей, садиться им придется уже после наступления темноты. Каждая минута колебаний приближала сумерки. Поэтому уже через 10 минут Митчер решил выслать в атаку все самолеты. Он передал по радио приказ Оперативному Соединению 58: «Поднять все, что имеется, возможна посадка в темноте».
Лейтенант Нельсон послал дополнительное сообщение, и в 16.10 американским летчикам было приказано занять места в самолетах. С мостика «Лексингтона» поступил приказ: «Главная задача – уничтожить авианосцы». Авианосцы развернулись против ветра, и самолеты начали разбег. В течение 10 минут 11 авианосцев (все, кроме «Принстона») подняли 216 самолетов – 85 истребителей, 77 пикирующих бомбардировщиков и 54 торпедоносца. Большинство «Авенджеров» вместо торпед несли бомбы – сказывались результаты боя у Мидуэя. На авианосцах начали готовить к взлету вторую ударную волну.