Como maniobra de diversión, los japoneses efectuarían ataques contra las islas Aleutianas, situadas en el Pacífico norte. En Midway, las defensas estadounidenses serían bombardeadas y, a continuación, las tropas japonesas invadirían las islas.

Sin embargo, los descifradores de códigos estadounidenses habían logrado desentrañar las claves japonesas y estaban al tanto de las intenciones niponas. Así, los japoneses se referían a Midway como AF, por lo que la inteligencia estadounidense preparó un señuelo. Tras radiar los estadounidenses falsas informaciones sobre problemas en una planta de destilación de agua en Midway, los japoneses se refirieron a ese mismo problema en AF.

Estando al tanto de las intenciones niponas, Nimitz reforzó las defensas en las Aleutianas y preparó a sus portaaviones en Midway, dispuestos para caer sobre la Armada Imperial.

Para tal propósito, los norteamericanos enviaron los portaaviones Hornet y Enterprise, con una escolta de seis cruceros y nueve destructores, todos ellos comandados por el contraalmirante Spruance. Por su parte, el portaaviones Yorktown, dañado en la batalla del Mar del Coral, fue reparado apresuradamente y enviado al combate junto con dos cruceros y cinco destructores, que quedaban bajo el mando del contraalmirante Fletcher.

El 2 de junio de 1942, la flota estadounidense estaba desplegada a una distancia de 400 kilómetros al noroeste de Midway, dispuesta para entablar combate con los nipones. Sin embargo, al día siguiente los japoneses atacaron las islas Aleutianas. Pero la verdadera presa de los norteamericanos, fue descubierta por aviones de largo alcance a unos 1125 kilómetros al sur de las islas Midway.

Llegado el 4 de junio, el almirante Nagumo disponía de los portaaviones Kaga, Soryu, Hiryu y Akagi, cuyos aviones fueron enviados a atacar Midway. Mientras Fletcher se disponía para atacar, Spruance avanzó con sus portaaviones para caer sobre la flota de Nagumo.

Los aviones de los que disponían en las bases de tierra no fueron rivales para los Zero japoneses y los combates se saldaron con un resultado favorable para los nipones. No obstante, los aeródromos de las islas Midway continuaron operativos.

Los japoneses armaron sus aviones de la segunda oleada con torpedos y bombas perforadoras creyendo que iban a luchar en un combate naval. Pero se ordenó que se rearmase a los aviones con bombas explosivas e incendiarias para emprender un segundo ataque sobre Midway.

Mientras cambiaban el armamento de los aviones, Nagumo recibió la noticia de que los buques estadounidenses habían sido avistados. No obstante, no fue advertido de la presencia de los portaaviones Hornet y Enterprise. Nagumo ordenó detener el proceso de rearme y los aviones equipados con torpedos y algunos con bombas, se prepararon para atacar.

Más malas noticias llegaron a oídos de Nagumo, quien fue alertado de un portaaviones estadounidense. Nagumo no podía hacer despegar a sus aviones de inmediato, pues las cubiertas de sus portaaviones debían quedar despejadas para la segunda oleada que regresaba de atacar Midway.

El personal de la Armada Imperial trabajaba bajo una gran presión, de manera apresurada y los aviones se llevaron al interior mientras las bombas eran sustituidas por torpedos. Tales fueron las prisas que las bombas no volvieron a ser almacenadas en los depósitos especialmente protegidos, hecho que tendría funestos resultados sobre la flota nipona.

Con los aviones del teniente Tomonaga regresando de Midway, maltrechos y escasos de combustible, los aviones estadounidenses cayeron sobre los buques japoneses. Los Grumman Wildcatt, los Douglas Dauntless y los Devastator entablaron combate con los japoneses.

Quince aviones Devastator fueron derribados al toparse con una patrulla de Zeros y sufrir una intensa cortina de fuego antiaéreo. De 14 Devastator procedentes del Enterprise, 11 fueron abatidos. Para colmo de males, solo 2 de los 12 Devastator del Yorktown salieron indemnes. Los resultados del ataque de los Devastator habían sido nefastos, pues no habían logrado causar daños en la flota del almirante Nagumo.

Con furiosos duelos aéreos desarrollándose sobre sus cabezas, el personal de la Armada logró dejar los aviones dispuestos para la batalla y a las 10:15 horas Nagumo autorizó el despegue de sus aviones.

Los cazas Zero empezaban a estar escasos de combustible y un total de 55 aviones Dauntless se abalanzaron sobre los portaaviones japoneses. Dos bombas impactaron de lleno en el portaaviones Akagi, que actuaba como buque insignia de Nagumo, otras cuatro explotaron en el Kaga y, finalmente, tres estallaron en el Soryu. Los mayores portaaviones japoneses se estaban yendo a pique.

Con el devastador ataque estadounidense aún reciente, los aviones despegaron del Hiryu. Solo unas pocas aeronaves japonesas lograron llegar hasta el portaaviones Yorktown, causando importantes daños en el buque.

El portaaviones Yorktown, gravemente dañado en la batalla de Midway, terminó por irse a pique un 7 de junio de 1942.

A su vez, el contraalmirante Spruance marchaba rumbo al sureste, dispuesto a hundir el último portaaviones nipón, el Hiryu. Tras un violento ataque, el portaaviones japonés sufrió graves daños y terminó por hundirse al día siguiente.

Yamamoto, afligido por las pérdidas sufridas terminó por abandonar sus intenciones de invadir Midway y la Armada Imperial procedió a la retirada. Con su victoria en Midway, los estadounidenses habían marcado un punto de inflexión en el Pacífico, pues tenían la iniciativa.