Sākotnējie gaisa uzbrukumi
3. jūnijā ap plkst. 9:00 ASV Jūras spēku patruļlidmašīna pamanīja Japānas okupācijas spēkus 500 jūras jūdzes (580 jūdzes; 930 kilometrus) uz rietumiem un dienvidrietumiem no Midveja. Trīs stundas vēlāk amerikāņi atklāja japāņu transporta grupu 570 jūras jūdzes (660 jūdzes; 1060 kilometrus) uz rietumiem. Viņi uzbruka, bet neviena no bumbām netika trāpīta, un lielāki postījumi netika nodarīti. Nākamajā rītā agri no rīta uzbrūkošā PBY torpēda trāpīja japāņu naftas tankkuģim Akebono Maru. Tas bija vienīgais veiksmīgais ASV veiktais torpēdas uzbrukums no gaisa visā kaujas laikā.
4. jūnijā plkst. 04:30 Nagumo sāka uzbrukumu Midvejam. To veidoja 36 pikējošie bumbvedēji 36 torpēdbumbvedēji, kurus pavadīja 36 Mitsubishi Zero iznīcinātāji. Tajā pašā laikā viņš uzsāka aizsardzības kaujas gaisa patrulēšanu. Viņa astoņas meklēšanas lidmašīnas startēja ar 30 minūšu nokavēšanos.
Japāņu izlūkošanas plāni bija slikti, jo bija pārāk maz lidmašīnu, lai nosegtu meklēšanas zonas. Jamamoto lēmumi tagad bija kļuvuši par nopietnu problēmu.
Kamēr Nagumo bumbvedēji un iznīcinātāji pacēlās, 11 PBY pameta Midveju, lai meklētu japāņu kuģus. Tie ziņoja, ka pamanījuši divus japāņu lidmašīnas ar tukšiem klājiem, kas nozīmēja, ka tuvojas gaisa trieciens. Amerikāņu radari fiksēja ienaidnieku vairāku jūdžu attālumā, un lidmašīnas tika nosūtītas aizstāvēt Midveju. Bumbvedēji devās uzbrukumā japāņu lidmašīnu flotei. ASV iznīcinātāji palika aiz muguras, lai aizstāvētu Midveju. Pulksten 06:20 japāņu lidmašīnas bombardēja un smagi sabojāja ASV bāzi. Midvejā bāzēto jūras kājnieku piloti, kuri lidoja ar F4F un novecojušajiem F2A, pārtvēra japāņu lidmašīnas un cieta daudz zaudējumu. Lielākā daļa ASV lidmašīnu tika notriektas pirmajās minūtēs; vairākas tika bojātas, un tikai divas varēja lidot. Kopumā tika notriekti 3 F4F un 13 F2A. Amerikāņu pretgaisa uguns bija precīza, sabojājot daudzas japāņu lidmašīnas un četras iznīcinot.
No 108 šajā uzbrukumā iesaistītajām japāņu lidmašīnām 11 tika iznīcinātas, 14 - smagi bojātas un 29 - bojātas. Sākotnējais japāņu uzbrukums neiznīcināja Midveju: Amerikāņu bumbvedēji joprojām varēja izmantot aviobāzi, lai uzpildītu degvielu un uzbruktu japāņu iebrukuma spēkiem. Lielākā daļa Midvejas sauszemes aizsardzības sistēmu bija neskarta. Lai karaspēks varētu nokāpt krastā līdz 7. jūnijam, būtu nepieciešams vēl viens gaisa uzbrukums, lai iznīcinātu Midveja aizsardzību.
Midvejā bāzētie amerikāņu bumbvedēji veica vairākus uzbrukumus japāņu aviācijas flotei. To vidū bija seši "Grumman Avenger" no "Hornet" VT-8 (Midveja bija pirmā kaujas misija VT-8 lidotājiem, un tā bija pirmā kaujas misija TBF), jūras kājnieku izlūku-bombardieru eskadriļas 241 (VMSB-241), ko veidoja vienpadsmit SB2U-3 un sešpadsmit SBD, kā arī četri ar torpēdām apbruņoti USAAF B-26 un piecpadsmit B-17 lidaparāti. Japāņi šos uzbrukumus atvairīja. ASV zaudēja divus iznīcinātājus, piecus TBF, divus SB2U, astoņus SBD un divus B-26.
Viens B-26, nopietni sabojāts pretgaisa ugunij, nogrima tieši pret Akagi. Lidmašīna tikai nedaudz aizlidoja garām lidmašīnas tiltiņam, kas varēja nogalināt Nagumo un viņa komandējošo personālu. Iespējams, ka tas Nagumo lika pieņemt lēmumu sākt vēl vienu uzbrukumu Midvejai, pretēji Jamamoto pavēlei paturēt rezerves spēkus pretkuģu operācijām.
Nagumo lēmums
Admirālis Nagumo bija paturējis rezervē pusi no savām lidmašīnām. Tās bija divas eskadriļas pikējošo bumbvedēju un torpēdbumbvedēju. Pulksten 07:15 Nagumo pavēlēja rezerves lidmašīnas atkārtoti apbruņot ar bumbām, lai tās varētu izmantot pret sauszemes mērķiem. Pulksten 07:40 izlūkošanas lidmašīna no Tones pamanīja lielus amerikāņu jūras spēkus austrumos. Šķiet, ka Nagumo ziņojumu saņēma tikai 08:00. Nagumo atcēla savu pavēli, bet pagāja 40 minūtes, līdz Tones izlūks beidzot pa radiosakariem ziņoja, ka amerikāņu spēkos ir aviācijas nesējs. Tas bija viens no 16. flotes aviācijas nesējiem; otrs nesējs nebija pamanīts.
Nagumo tagad nezināja, ko darīt. Kontradmirālis Tamons Jamaguči ieteica Nagumo veikt triecienu ar pieejamajiem spēkiem: 18 Aiči D3A niršanas bumbvedējiem uz Sōryū un Hiryū un pusi no patruļlidmašīnām. Tomēr Nagumo iespējas notriekt amerikāņu kuģus tagad bija ierobežotas. Midvejas triecienspēki drīz atgriezīsies, un tiem vajadzēja nosēsties vai avarēt jūrā. Nepārtrauktās lidmašīnu aktivitātes dēļ japāņi nespēja nogādāt savas rezerves lidmašīnas uz pacelšanās klāja. Tās nedaudzās lidmašīnas, kas bija gatavas, bija aizsardzības iznīcinātāju lidmašīnas. Lidmašīnu palaišana būtu prasījusi vismaz 30 līdz 45 minūtes. Palaižot uzreiz, Nagumo būtu izmantojis daļu no savas rezerves bez atbilstošiem pretkuģu ieročiem. Viņš tikko bija redzējis, cik viegli tika notriekti amerikāņu bombardieri bez eskorta. Slikta disciplīna lika daudziem japāņu bumbvedējiem atbrīvoties no bumbām un mēģināt cīnīties ar pārtvertajiem F4F. Japāņu aviācijas nesēju noteikumi deva priekšroku pilnīgiem triecieniem, un, tā kā Nagumo nezināja, ka amerikāņu spēku sastāvā ir aviācijas nesējs, viņa reakcija atbilda japāņu noteikumiem. Turklāt vēl viena amerikāņu gaisa trieciena ierašanās plkst. 07:53 lika Nagumo vēlēties atkal uzbrukt salai. Nagumo nolēma pagaidīt, kamēr nolaidīsies viņa pirmais triecienspēks, un tad palaist rezervi, kas līdz tam laikam jau būtu apbruņota un gatava.
Fletčera lidmašīnu nesēji bija palaiduši lidmašīnas jau no plkst. 7.00, tāpēc lidmašīnas, kas uzbruka Nagumo, jau bija ceļā. Nagumo neko nevarēja darīt. Tas bija trūkums Jamamoto plānos.
Uzbrukumi Japānas flotei
Amerikāņi jau bija uzsākuši lidmašīnu lidmašīnu uzlidojumu pret japāņiem. Admirālis Fletčers, kurš komandēja uz kuģa Yorktown un kuram no agra rīta bija ziņojumi par PBY novērojumiem, pavēlēja pēc iespējas ātrāk uzbrukt japāņiem. Viņš paturēja Yorktown rezervē gadījumam, ja tiktu atrasti citi japāņu bāzes kuģi. (Fletčera norādījumus Spruensam nosūtīja Nimics, kurš bija palicis krastā).
Spruanss domāja, ka, lai gan attālums bija liels, uzbrukums varētu būt veiksmīgs. Viņš deva pavēli sākt uzbrukumu ap plkst. 06:00. Fletčers, pabeidzis savus izlūkošanas lidojumus, plkst. 08:00 sekoja no Jorktaunas.
Admirālim Flečeram, kas komandēja "Yorktown" operatīvo grupu, kopā ar kapteini Eliotu Bakmasteru, "Yorktown" komandieri, un viņu štābiem bija pieredze pilnā trieciena veikšanā pret ienaidnieka spēkiem Korāla jūrā. Taču viņi nevarēja nodot to, ko bija iemācījušies, "Enterprise" un "Hornet", kam bija pavēlēts veikt pirmo triecienu. Spruenss pavēlēja lidmašīnām uzreiz doties uz mērķi, jo ienaidnieka nesēju iznīcināšana bija svarīga viņa kuģu drošībai. Spruenss nolēma, ka svarīgāk ir uzbrukt pēc iespējas ātrāk, nevis koordinēt uzbrukumu ar dažādu tipu un ātrumu lidmašīnām (iznīcinātājiem, bumbvedējiem un torpēdbumbvedējiem). Amerikāņu eskadras devās uz mērķi vairākās dažādās grupās. Viņš cerēja, ka atradīs Nagumo ar lidmašīnu pilnajām lidmašīnu pilnajām pilnajām lidmašīnu klājiem.
Amerikāņu lidmašīnām bija grūtības noteikt mērķa atrašanās vietu. Hornet trieciens, ko vadīja komandieris Stanhope C. Rings, nenotika pareizajā virzienā. Astotās gaisa spēku grupas pikējošie bumbvedēji garām japāņu bāzes lidmašīnām. [vajadzīgā lappuse] 8. torpēdu eskadriļa lidoja pareizajā virzienā. Tomēr 10 F4F no Hornet bija beigusies degviela, un tiem nācās nogāzties okeānā. Valdrona eskadriļa ieraudzīja ienaidnieka aviācijas nesējus un sāka uzbrukumu 09:20. Tai sekoja 6. torpēdu eskadriļa (VT-6, no Enterprise), kuras pavadošajiem iznīcinātājiem Wildcat arī beidzās degviela un 09:40 nācās griezties atpakaļ. Bez iznīcinātāju eskorta visi piecpadsmit VT-8 TBD Devastator tika notriekti, nespējot nodarīt nekādus bojājumus, un vienīgais izdzīvojušais bija praporščiks Džordžs Gejs. VT-6 zaudēja 10 no saviem 14 Devastator, un 10 no Yorktown VT-3 12 Devastator tika notriekti, nesaņemot nevienu trāpījumu. Daļēji problēmu radīja sliktā Mark 13 torpēdiņu darbība. Vecākie Jūras kara flotes un Ieroču biroja virsnieki nekad neprasīja, kāpēc sešas torpēdas, izšautas tik tuvu japāņu aviācijas kuģiem, nedeva nevienu trāpījumu. Japāņu kaujas gaisa patruļa, kas lidoja ar Mitsubishi A6M2 Zeros, notrieca nevadītos, lēnos, nepietiekami bruņotos TBD. Dažiem TBD izdevās pietuvoties pietiekami tuvu, lai nomestu torpēdas un šautu no saviem ložmetējiem uz ienaidnieka kuģiem. Tas lika japāņu lidmašīnām veikt straujus pagriezienus. TBD "Devastator" vairs nekad netika izmantoti kaujās.
Neraugoties uz to, ka amerikāņu torpēdisti nesaņēma nevienu trāpījumu, japāņu lidmašīnas nespēja sagatavoties un uzsākt savu triecienu. Tie arī izvilka japāņu kaujas gaisa patruļas (CAP) no pozīcijām. Turklāt daudziem Zero beidzās munīcijas un degvielas krājumi. Trešā torpēdlidmašīnu uzbrukuma parādīšanās no dienvidaustrumiem, ko veica Torpedo eskadriļas 3 (VT-3 no Yorktown) pulksten 10:00, lika japāņu CAP lidot uz flotes dienvidaustrumu stūri. Labāka disciplīna un lielāka "Zero" skaita izmantošana CAP, iespējams, būtu ļāvusi Nagumo novērst gaidāmo amerikāņu uzbrukumu radītos postījumus.
No dienvidrietumiem un ziemeļaustrumiem tuvojās trīs SBD eskadras no Enterprise un Yorktown (attiecīgi VB-6, VS-6 un VB-3). Divām eskadrālēm no "Enterprise" pietrūka degvielas, jo tās bija pavadījušas laiku, meklējot ienaidnieku. Tomēr eskadriļu komandieri nolēma turpināt meklēšanu. Viņš pamanīja japāņu iznīcinātāju Arashi. Tas virzījās, lai atkal pievienotos Nagumo aviācijas kuģiem pēc tam, kad bija neveiksmīgi dziļūdens lādiņu uzspridzinājis ASV zemūdenē Nautilus. Nautilus iepriekš bija neveiksmīgi uzbrucis kaujas kuģim Kirishima. Pirms uzbrukuma sākšanas daži bombardieri tika zaudēti degvielas trūkuma dēļ.
McClusky lēmums turpināt meklēšanu bija liels atbalsts ASV gaisa nesēju operatīvajam grupējumam un spēkiem Midvejā. Visas trīs amerikāņu pikējošo bombardieru eskadras (VB-6, VS-6 un VB-3) ieradās īstajā laikā, lai uzbruktu. Lielākā daļa japāņu CAP meklēja torpēdlidmašīnas. Apbruņotās japāņu triecienlidmašīnas bija piepildījušas angāru klājus, degvielas šļūtenes gulēja uz klājiem, bet bumbas un torpēdas atradās netālu no angāriem, tāpēc japāņu lidmašīnas bija ļoti pakļautas bojājumu riskam.
Sākot no plkst. 10:22, abas "Enterprise" gaisa grupas eskadras sadalījās un uzbruka diviem mērķiem. Nejauši abas grupas uzbruka Kaga. Komandieris leitnants Ričards Halsijs Bests un vēl divas lidmašīnas devās uz ziemeļiem, lai uzbruktu Akagi. Nonākot gandrīz divu pilnu eskadriļu uzbrukumā, Kaga tika notriekta ar četrām vai piecām bumbām, kas nodarīja smagus postījumus un izraisīja ugunsgrēkus, kurus neizdevās nodzēst. Viena no bumbām nogāzās netālu no tilta, nogalinot lielāko daļu vecāko virsnieku.
Pēc dažām minūtēm Bests un divas lidmašīnas nogrima uz Akagi. Lai gan Akagi guva vienu tiešu triecienu (notrieca komandleitnants Bests). Tas trāpīja pa klāja liftu un aizlidoja līdz pat augšējam angāra klājam. Tā eksplodēja starp bruņotajām un ar degvielu apgādātajām lidmašīnām. Vēl viena bumba eksplodēja zem ūdens, kas izlieca lidmašīnas klāju un izraisīja stūres bojājumus.
"Yorktown" VB-3, ko komandēja Makss Leslijs, uzbruka Sōryū. Viņi guva vismaz trīs trāpījumus un nodarīja daudz postījumu. VT-3 mērķēja uz Hiryū, bet neguva nevienu trāpījumu.
Sešu minūšu laikā Sōryū un Kaga aizdegās. Nopietni bojājumi tika nodarīti arī Akagi. Japāņi cerēja, ka Akagi izdosies izglābt vai aizvilkt atpakaļ uz Japānu. Galu galā visi trīs aviācijas kuģi tika pamesti un nogremdēti.
Japāņu pretuzbrukumi
Uzbruka vienīgajam izdzīvojušajam japāņu lidmašīnu nesējam "Hiryū". Hiryū pirmajā uzbrukumā piedalījās 18 pikējošie bumbvedēji un seši pavadošās iznīcinātāji. Viņi sekoja atkāpušos amerikāņu lidmašīnām un uzbruka Yorktown, trāpot tai ar trim bumbām, kas izrausināja caurumu klājā, izsita katlus un iznīcināja vairākus pretgaisa lielgabalus. Neraugoties uz bojājumiem, remonta komandas stundas laikā spēja salabot lidojumu klāju un salabot vairākus katlus. Šajā uzbrukumā tika zaudēti divpadsmit japāņu pikējošie bumbvedēji un četri pavadošie iznīcinātāji.
Aptuveni stundu vēlāk tika veikts otrais Hirju uzbrukums. To veidoja desmit torpēdbumbvedēji un seši pavadošās A6M. ASV remonta darbi bija tik labi veikti, ka japāņi uzskatīja, ka tai jābūt citai, nebojātai lidmašīnai. Uzbrukuma laikā Yorktown trāpīja divas torpēdas; tā zaudēja visu jaudu un sasvērās uz kreiso bortu, kas to izslēdza no darbības. Admirālis Fletčers pārcēla savu komandējošo personālu uz smago kreiseri Astoria. Neviens no Spruensa 16. operatīvās grupas aviācijas kuģiem netika bojāts.
Ziņas par abiem triecieniem un ziņojumi par to, ka katrā no tiem nogremdēts amerikāņu transportkuģis (faktiski abos gadījumos "Yorktown"), ievērojami uzlaboja Kido Butai morāli. Tās nedaudzās izdzīvojušās lidmašīnas visas tika atgūtas uz Hiryū klāja, kur tās tika sagatavotas uzbrukumam pret, kā tika uzskatīts, vienīgo atlikušo amerikāņu aviācijas kuģi.
Amerikāņu pretuzbrukums
Vēlā pēcpusdienā Yorktown izlūkošanas lidmašīna atrada Hiryū. Enterprise uzsāka pikējošo bumbvedēju triecienu (tostarp 10 SBD no Yorktown). Neraugoties uz to, ka Hiryū aizstāvēja vairāk nekā ducis Zero iznīcinātāju, Enterprise uzbrukums bija veiksmīgs: četras, iespējams, piecas bumbas trāpīja Hiryū, atstājot to ugunsgrēkā un nespējot vadīt lidmašīnas. (Hornet trieciens bija vērsts pret eskorta kuģiem, bet tas neguva nevienu trāpījumu.) Pēc bezcerīgiem mēģinājumiem kontrolēt ugunsgrēku lielākā daļa uz Hiryū palikušās apkalpes tika izcelta no kuģa. Pārējā flote turpināja kuģot uz ziemeļaustrumiem, lai sagaidītu amerikāņu aviācijas nesējus. Hiryū noturējās virs ūdens vēl vairākas stundas. Viņu atklāja lidmašīna no vieglā bāzes kuģa Hōshō. Tas radīja cerības, ka to varētu izglābt vai aizvilkt atpakaļ uz Japānu. Tomēr drīz pēc pamanīšanas Hiryū nogrima. Kontradmirālis Jamaguči izvēlējās iet bojā kopā ar savu kuģi, tādējādi Japāna zaudēja savu labāko aviācijas nesējkuģa virsnieku.
Iestājoties tumsai, abas puses pārdomāja situāciju un izstrādāja rīcības plānus. Admirālim Flečeram nācās pamest "Yorktown". Viņš uzskatīja, ka nevarēs komandēt no kreisera. Viņš nodeva komandēšanu Spruensam. Spruenss zināja, ka Amerikas Savienotās Valstis ir guvušas lielu uzvaru, taču viņš joprojām nebija pārliecināts par to, kādi japāņu spēki vēl ir palikuši. Viņš vēlējās aizsargāt Midveju un savus aviācijas nesējus. Viņš sekoja Nagumo dienas laikā un turpināja sekot, kad iestājās nakts. Visbeidzot, baidoties no iespējamas nakts kaujas ar japāņu kuģiem un uzskatot, ka Jamamoto joprojām plāno iebrukt, Spruanse atkāpās uz austrumiem. Pusnaktī viņš pagriezās atpakaļ uz rietumiem pretinieka virzienā. Jamamoto nolēma turpināt uzbrukumus un nosūtīja savus atlikušos kuģus meklēt amerikāņu aviācijas nesējus uz austrumiem. Viņš arī nosūtīja kreiseru reidus, lai bombardētu salu. Japāņu kuģiem neizdevās sazināties ar amerikāņiem, jo Spruanse pieņēma lēmumu atkāpties uz austrumiem, un Jamamoto pavēlēja atkāpties uz rietumiem.
5. jūnijā Spruansam neizdevās atjaunot kontaktu ar Jamamoto spēkiem, lai gan viņš veica daudz meklējumu. Dienas beigās viņš uzsāka uzbrukumu visiem Nagumo aviācijas spēku kuģiem. Šis trieciens nesasniedza Jamamoto galveno kuģu grupu. Tajā netika notriekts neviens japāņu iznīcinātājs. Pēc tumsas iestāšanās triecienlidmašīnas atgriezās uz aviācijas kuģiem. Spruenss pavēlēja Enterprise un Hornet ieslēgt gaismu, lai palīdzētu izkraušanai.
Naktī no 5. uz 6. jūniju plkst. 02:15 komandiera Džona Mērfija vadītais "Tambor" 90 jūras jūdzes (100 jūdzes; 170 kilometrus) uz rietumiem no Midvejas sniedza otro no lielākajiem zemūdenes spēku ieguldījumiem kaujas iznākumā. Redzot vairākus kuģus, ne Mērfijs, ne viņa izpilddirektors Rejs Spruenss juniors nespēja tos identificēt. Apsverot, ka tie varētu būt ASV kuģi, Mērfijs nešāva, bet ziņoja par tiem Klusā okeāna flotes zemūdeņu spēku komandierim admirālim Robertam Englisam (COMSUBPAC). Šis ziņojums tika nosūtīts Nimicam, kurš to nosūtīja Spruensam. Spruenss pieņēma, ka tie ir iebrukuma spēki, un devās tos bloķēt, turoties 100 jūras jūdzes (120 jūdzes; 190 kilometrus) uz ziemeļaustrumiem no Midveja.
Tambora pamanītie kuģi bija četri kruizeri un divi iznīcinātāji, kurus Jamamoto bija nosūtījis bombardēt Midveju. Pulksten 02:55 šie kuģi saņēma Jamamoto pavēli atkāpties un mainīt kursu. Aptuveni tajā pašā laikā, kad notika kursa maiņa, tika pamanīts Tambor, un, lai izvairītos no zemūdenes uzbrukuma, Mogami un Mikuma ietriecās viens otrā, nodarot nopietnus bojājumus Mogami priekšgalam. Mazāk bojātā Mikuma samazināja ātrumu līdz 12 mezgliem (22 kilometri stundā; 14 jūdzes stundā). Tas bija lielākais bojājums, ko guva jebkura no 18 kaujā izvietotajām zemūdenēm. Tikai plkst. 04:12 debesis pietiekami izgaismojās, lai Mērfijs varētu pārliecināties, ka kuģi ir japāņu, līdz tam laikam atrasties virs ūdens bija bīstami, un viņš ieniris, lai tuvotos uzbrukumam. Uzbrukums bija neveiksmīgs, un ap 06:00 viņš beidzot ziņoja par diviem rietumu virzienā virzītiem Mogami klases kruizeriem.
Nākamajās divās dienās vispirms Midvejs, bet pēc tam Spruensa bāzes kuģi uzsāka vairākus uzbrukumus. Mikuma tika nogremdēta ar Dauntlesses, bet Mogami izdzīvoja pēc bojājumiem un atgriezās mājās remontam. Arī iznīcinātāji Arashio un Asashio tika bombardēti un apšaudīti ar ložmetējiem pēdējā no šiem uzbrukumiem.
"Yorktown" vilka USS "Vireo". Tomēr 6. jūnija vēlā pēcpusdienā I-168 izšāva torpēdas; divas trāpīja Yorktown, bet trešā trāpīja un nogremdēja iznīcinātāju USS Hammann, kas bija nodrošinājis jaudu Yorktown. Hammann sadalījās uz pusēm, zaudējot 80 cilvēku dzīvības. Yorktown nogrima 7. jūnijā īsi pēc plkst. 05:00.