5 点 34 分，令人激动的消息传来了，一架 PBY 报告发现日本舰队，确认有两艘航母。5 点 52 分，另一架 PBY 发回了日本舰队的方位信息。6 点，中途岛所有作战飞机已经全部起飞，战斗机负责拦截敌机，轰炸机负责攻击航母----这对轰炸机来说非常危险，也许是西蒙德深信美军航母会同时发动攻击。
美军航母总指挥是第 17 特混舰队司令弗兰克·杰克·弗莱彻海军少将，与南云一样并非海军航空兵出身，而是珍珠港事变后才被任命为航母编队指挥官；而且他的上级尼米兹和金都不喜欢他，这也与南云一样。不过与山本不同的是，尼米兹给了弗莱彻充分的临机决断权，现在就是弗莱彻需要决断的时候了，他知道对手有两个航空战队，水上飞机只看到了 2 艘航母，这意味着还有一支航空战队没有被侦察到，但又必须迅速对发现的航母进行攻击。
6 点 07 分，弗莱彻做出了决断。他命令第 16 特混舰队单独发动攻击，自己则尾随在后，如果另一支日本航空战队正好在此期间被侦察到，就可以由“约克城”号来攻击；如果始终未能发现，那么“约克城”会在第 16 特混舰队回收飞机的时候发动第二波攻击，不给敌人喘息之机。不过由于双方距离恰好处于美军舰载机作战半径的边缘，所以还要继续逼近目标，攻击时间被确定为 7 点整。美军已经掌握了先机，除非，日军能够及时发现他们。
无心插柳
日本人本来为侦察美军舰队制定了多项计划，但却全都成了摆设。首先，由二式大艇（四引擎大型水上飞机）侦察珍珠港的美军舰队动向。但即使续航力比 B-17 还远 50%，二式大艇依然需要中途加油才能从珍珠港来回。日本人选择的加油点是荒无人烟的法国护卫舰浅滩，由伊-121 号潜艇为二式大艇加油。谁知道美国人也看中了该地，于 5 月下旬将其建设为新的水上飞机基地，这个侦祭计划只得取消了。
其次，在预计美军舰队从珍珠港到中途岛的航线上，设置了两条潜艇警戒线，由第三潜艇战队的 14 艘潜艇组成。然而由于参加这次任务的都是老旧潜艇，它们大修时间太长，离开基地时间过晚，途中又因为美军加强了水上飞机巡逻而不得不白天下潜，晚上才敢浮出水面航行。结果比计划时间（6 月 1 日）晚了整整两天オ到达预定位置，这时候美军航母早已通过了警戒线，所以它们什么也没有发现。
最后，南云信任的航空参谋源田实中佐制定了第一航空舰队的侦察计划，由 2 架舰攻（来自“赤城”、“加贺”）、5 架水侦（“利根”2 架、“筑摩”2 架、“榛名”1 架）以舰队为起点呈辐射状向南、东、北搜索 300 海里（“榛名”的 95 式水侦航程不够，只能搜索 150 海里），相比要搜索的面积（相当于瑞典那么大），侦察机的数量显然太少，必然会存在监视漏洞。
而即使这样的计划也没有得到完整的执行，“利根”和“筑摩”的水侦本来应该在 4 点 30 分与中途岛特攻队一起起飞，结果都失约了。“筑摩”号负责巡逻第 5、6 搜索线的两架水侦分别在 4 点 35 分和 4 点 38 分发射，“利根”号更离谱，负责第 3 搜索线的水侦在 4 点 42 分才起飞，负责第 4 搜索线的水侦更是拖到了 5 点，整整晚了半个小时！这也许是因为飞机弹射器操作人员技术过于生疏所致。
水侦乘员们的表现更是让不靠谱的侦察计划雪上加霜。负责第 6 搜索线的水侦在 6 点 49 分就返航了，理由是天气恶劣；负责第 5 搜索线的“筑摩”1 号水侦本该在 6 点 30 分就能发现美军航母，但机长都间信大尉要么是懈怠失职，要么是严重偏航，所以他什么也没看到。负责第 4 搜索线的“利根”4 号水侦更是完全没有沿着规定航线飞行，机长甘利洋司一等飞曹知道自己起飞得太晚，为了及时返航，他很可能擅自改变了航线以缩短航程，因为第 4 搜索线根本不可能发现美军舰队，而他偏偏就是发现了。
艰难决断
6 点 17 分，飞行特攻队即将抵达中途岛上空，它们不知道白己早已被一架 PBY 盯上了。该机在特攻队上空投下了一颗照明弹，向已在空中严阵以待的美军战斗机报警。由海军陆战队帕克斯少校率领的 20 架“水牛”和 6 架“野猫”呼啸而至，一举击落了 4 架舰攻，但当零战反应过来后，无论飞机性能还是飞行员素质都不如对手的美军战斗机就惨遭屠杀，仅仅几分钟内就被击落了 13 架“水牛”和 2 架“野猫”，幸存的 11 架战斗机也大多重伤，仪有 2 架可继续战斗。
可指挥官友永丈市大尉完全高兴不起来，迎接他的是密集而准确的高射炮火，而中途岛的机场跑道上空空如也，虽然空袭炸毁了不少地面设施，并给机场跑道造成轻微破坏，但距离瘫痪还早得很。特攻队反倒损失惨重，被击落和海面迫降 11 架，受损报废 14 架，受损可修复 29 架，这意味着南云部队损失了超过 23%的舰载机！
7 点整，“赤城”号收到了友永大尉表示需要进行第二波空袭中途岛的电报，但南云现在顾不上这个，而是忙着把更多的零战投送到空中，因为美军飞机就要来了----5 点 55 分的时候，“利根”号重巡洋舰的第 4 号水上侦察机已经发来电报：“15 架敌机正在向你们飞去。”
7 点10分。天边出现了从中途岛飞来的6架TBF和4架B-26, 它们表现出了惊人的勇气，不顾零战的疯狂进攻，也不顾日舰猛烈的高射炮火，径直扑向“赤城”号和“飞龙”号，尽管前面的已经中弹起火，但余下的还是英勇地前仆后继，其中一架 B-26 在中弹后甚至对“赤城”号发动了自杀式撞击，但也许是驾驶员在最后关头昏迷或者死去，轰炸机最终没能撞上航母，而是从舰桥上空仅仅 10 英尺处擦过。翻滚着坠入海中。