После спешной подготовки под командованием Ямамото в море вышли 6 авианосцев, 7 линкоров, 10 тяжелых крейсеров с кораблями сопровождения. Второе соединение под командованием контр-адмирала Какуты взяло курс на Алеутские острова. Американцы, знавшие о планах японцев, разместили 3 авианосца в определенном отдалении от Мидуэя и ожидали вместе с дислоцированными на острове самолетами подхода японского флота. Расстояние между Алеутами и Мидуэем более 1800 морских миль от северной до центральной части Тихого океана. Японцы бросили в этот бой самые большие свои силы: людей, корабли и самолеты.
Утром 4 июня 1942 года вице-адмирал Нагумо отдал приказ на старт с авианосцев 108 самолетам для атаки Мидуэя. Вторая, такая же мощная группа самолетов была готова нанести удар по любому показавшемуся вражескому кораблю. Стартовавшие с авианосцев «Акаги», «Kara», «Сориу» и «Хириу» самолеты смогли причинить острову только ограниченный ущерб, так как американцы, своевременно предупрежденные своими радарами, подняли в воздух все свои самолеты.
Контр-адмирал Флетчер, командовавший атакующим соединением и сконцентрировавший свои авианосцы вдали от Мидуэя, надеялся, что самолеты с островной базы увидят вражеский флот раньше, чем японцы займут боевую позицию. И в то время как 4 авианосца вице-адмирала Нагумо начали первый бой за остров, 3 американских авианосца контр-адмирала Флет-чера готовились к атаке на японцев.
Капитан-лейтенант Томогана, командир японского бомбардировочного соединения, после, первой атаки на остров сообщил, что для высадки войск на Мидуэй необходима вторая атака для уничтожения оборонительных сооружений на острове. Контрудар американских самолетов с острова по японским авианосцам, нанесший им только легкие повреждения и стоивший американцам нескольких сбитых самолетов, видимо, подвигнул японского вице-адмирала принять решение нанести последний удар по острову силами 93 самолетов, оснащенных торпедами и бомбами, которые находились в резерве на случай появления американских кораблей. Но это означало, что в течение следующих 60 минут, пока производилось перезаряжение, а самолеты бомбили остров и сбрасывали десантников-парашютистов, 4 японских авианосца оставались полностью незащищенными от неожиданной атаки американских самолетов.
Вскоре после этого вице-адмирал Нагумо сообщил о группе американских кораблей, которые были обнаружены на расстоянии примерно 280 морских миль. Сначала японцы решили, что это только крейсера и эсминцы, но в 8:20 пришла радиограмма об обнаруженном среди них авианосце. Это было очень неприятное известие для Нагумо, так как большинство его самолетов было на тот момент заряжено бомбами, а все истребители участвовали в операции. Вице-адмиралу пришлось ждать, пока не вернется последняя машина после атаки на Мидуэй. Тем временем американские авианосцы приблизились и силами 41 бомбардировщика, вооруженного тяжелыми торпедами, и без охраны истребителей атаковали японцев. 35 американских машин не успели сделать ни одного попадания и были сбиты японскими истребителями и зенитками.
Японцы еще отбивались от американских торпедоносцев, а в небе появились пикирующие бомбардировщики США, стартовавшие с авианосцев «Энтерпрайс» и «Йорктаун». Пока японцы меняли бомбы на торпеды, заправляли свои самолеты горючим, с высоты 6000 метров на них спикировали 37 американских бомбардировщиков, против которых японская защита была бессильна. Авианосец «Акаги», флагман Нагумо, был закидан бомбами, и это вызвало целую цепь взрывов между стоящими на палубе и готовыми к старту самолетами. Корабль вынужден был сдаться. Горящий авианосец «Kara» пошел ко дну несколькими часами позже, а авианосец «Сориу» после трех прямых попаданий затонул за 20 минут. Самолетам и еще боеспособному японскому авианосцу «Хириу» удалось настолько сильно повредить американский «Йорктаун», что он тоже вышел из боя. После этого 24 американских пикирующих бомбардировщика нанесли удар по «Хириу», который затонул ранним утром 2 июня 1942 года. Потеря четырех авианосцев вынудила японцев в течение дня прекратить борьбу. Таким образом был решен исход войны в Тихом океане. Оккупация японцами двух Алеутских островов Атту и Киска не смогла сгладить это их поражение. США потеряли в этой битве помимо авианосца «Йорктаун» эсминец, 307 человек и 150 самолетов. У японцев было 3500 убитых, из которых только на авианосцах 2155 человек, и 330 машин. Таким образом, господство на Тихом океане перешло к американцам, что существенно облегчило им двумя месяцами позднее наступление в юго-западной части Тихого океана. Крах у Мидуэя стал для Японии самым сильным поражением с 1598 года. Размер потерь военные скрыли не только от японской общественности, но и от собственного правительства.