日本大本營也沒有忘記擴大太平洋防御圈，山本五十六受命解決遠程防御的問題。這位海戰的賭徒決定再次攻擊中途島，擴大防御圈。
山本五十六集中了太平洋海域的4艘主力航母、赤城、加賀、飛龍、蒼龍號。不過穿越的蝴蝶在這里扇動了他那偉大的翅膀。山本五十六並未如歷史上的二戰中布局其艦隊。他並沒有派遣艦隊向阿留申群島佯動，而是將2艘輕型航空母艦龍驤號、隼鷹號，和其上搭載的艦載機82架，水上飛機母艦1艘，水上飛機10架，重巡洋艦3艘，驅逐艦12艘編成了第二航空艦隊，同時將高須四郎的掩護編隊也編入了登陸艦隊。這使日軍在中途島區域擁有了6艘作戰航母，200艘各級戰艦，7000名登陸作戰人員。
山本五十六率領第一艦隊的3艘戰列艦、1艘輕航母，和其他10艘戰艦作為指揮，在中途島以北800公里處。
南雲忠一指揮的第一航空艦隊負責掩護登陸編隊和轟炸中途島。
細萱中將指揮的第二航空艦隊負責警戒周邊海域的美軍戰艦
高須四郎指揮的登陸艦隊有輕型航空母艦1艘，水上飛機母艦2艘，艦載機23架，水上飛機80架，戰列艦4艘，重巡洋艦8艘，輕巡洋艦2艘、驅逐艦23艘，掃雷艇4艘，以及運輸船18艘，運載地面部隊7000人，負責在中途島登陸。
日軍的動向，美軍已經通過電信破譯獲得了消息，因此尼米茲也將太平洋艦隊僅有的3艘航母、約克城號、企業號、大黃蜂號全部潛伏在中途島海域，準備尋機攻擊日本聯合艦隊。考慮到艦隊數量上的差異，尼米茲還學習了德國的狼群戰術，調遣了30艘各類潛水艇組成攻擊編隊，埋伏在中途島西面800公里的扇形範圍內。這一舉措被後世研究人員認為是神來之筆，挽回了美國海軍的少許顏面，也保證了美軍能在1943年不至于被日本海軍攻到西海岸的家門口。
1942年6月13日凌晨，第一批轟炸機和護航戰機從南雲忠一指揮的第一航空艦隊起飛，前往中途島轟炸。同時第二航空艦隊的水上飛機母艦和重巡洋艦派出了8架偵查飛機向中途島東面和南面進行搜索。
7點，第一批轟炸的飛機遭遇中途島上空美軍嚴陣以待的62架戰斗機。日軍戰機猝不及防，雙方戰斗機在空中混戰。許多架轟炸機被直接擊落，在天空中炸出朵朵紅雲。余下的轟炸機在亂戰中匆忙將500KG的炸彈扔到中途島上空，許多炸彈直接扔出了中途島的陸地範圍。海面上激起巨大的浪柱，翻卷的水霧散漫在整個天空，迎著清晨的陽光，化為片片七彩的雲霧。在陸地上爆炸的航空炸彈，膨出的煙塵像是一個個高聳的蘑菇，此起彼伏著顯現。高射炮的射擊時不時地在天空中爆發出點點的火花，像是新年里的煙花。不大點的中途島沉浸在煙和火的世界中。
7點20分，美軍陸基偵察機在中途島以西150海里處發現日軍的第二航母艦隊。迅速的發回了位置和坐標。
7點30分，美軍由戰斗機、魚雷機、俯沖轟炸機所組成的117架戰機，從斯普魯恩斯少將所率領的第16特混編隊大黃蜂號及企業號升空，奔向200海里外，細萱中將指揮的艦隊。同時，中途島基地冒著戰火起飛的1個魚雷機中隊也奔向了150海里外的日軍第二航空艦隊。
7時40分，日軍第二航空艦隊的水上母艦的一艘偵察機發現了處于中途島以南180海里的美軍航母艦隊第16特混艦隊。
7點50分從日軍第二航空艦隊上起飛了36架轟炸機、10架魚雷機和21架護航戰斗機。
8點02分，得知中途島上有大批戰機防護的南雲忠一改變策略，將第一波轟炸回收的戰機用于攻擊美軍航母。日軍第一航空艦隊派出144架戰機向美第16特混艦隊出擊。
8點14分，美軍的第一波空襲戰機來到日軍第二航空艦隊上空，開始攻擊。轟炸機編隊指揮員哈斯少校發現日艦甲板上並無戰機，判斷日軍也已發現己方航母。哈斯少校迅速的將消息傳回第16艦隊。5分鐘後16特混艦隊的美軍護航戰斗機全部升空。由于第二航空艦隊是以輕航母為主，艦載機並不如第一航空艦隊那麼先進。空戰中許多99艦戰抵不過美軍的F4F，這讓美軍的轟炸機得以毫無干擾的進行攻擊。
8點18分，第一條魚雷命中輕航母龍驤號。魚雷命中艦首左舷。隨即三條魚雷直接命中龍驤號中部，巨大的爆炸力將龍驤號直接炸成兩節，艦船迅速下沉。艦上384名官兵直接被海水吞沒。
8點19分，日軍輕航母隼鷹號被2枚炸彈命中後甲板，艦船起火。驅逐艦五月雨號被炸沉。
8點20分美軍結束第一波空襲返航，損失戰斗機17架，轟炸機12架，魚雷機12架。日軍龍驤航母被擊沉，隼鷹號被彈起火。日軍護航戰斗機損失26架.
8點25分，美軍中途島陸基12架魚雷機來到日軍第二航空艦隊上空。由于日軍第二艦隊的護航戰斗機已近被基本擊落，因此這波魚雷攻擊機基本是毫發不傷的進行了痛快的攻擊。首先遭殃的就是輕航母隼鷹號。遭遇比龍驤號還要悲慘。6條魚雷直接命中，艦體瞬間被扯成碎片，四處飛揚的碎片和殉爆的煙塵十幾海里外都可以清楚的看到，324名船員全部葬身魚月復。
8點27分，日軍戰艦山城號被3條魚雷命中。
8點29分，日軍戰艦扶桑號被2條魚雷命中，殉爆沉沒。
8點32分輕巡洋艦大井號被2條魚雷擊中爆炸起火。
8點33分輕巡洋艦北上號被1條魚雷擊中彈藥庫，殉爆沉沒。整個第二航空艦隊所在的海面全部被爆炸的煙霧所籠罩。
不過上帝也不是萬能的，這邊美軍轟炸機群在在日軍第二航空艦隊這邊炸的歡，日軍的空中敢死隊也在美軍第16特混艦隊那兒一樣狂扔炸彈。
8點34分，日軍第一波空襲戰機在雲霧下找到了美軍第16特混艦隊。由于美軍有所準備，44架戰斗機直接撲向日軍的轟炸機和魚雷機。日軍護航的21架零戰，迅速接戰。這次天照壓倒了上帝發揮了作用。
8點36分，2枚800KG炸彈命中企業號航母後甲板，後甲板表面損壞，並引起火災。
8點38分，一枚魚雷命中企業號中部。
8點38分，2條魚雷命中大黃蜂號後部，輪機艙受損，航母失去一半動力，速度降至9節
8點45分，日軍第一波空襲結束，日軍只逃走了8架零戰，12架轟炸機，魚雷機被全殲。
8點55分，日軍山城號戰列艦被棄艦。
9點03分，日軍第二波144架空襲機群飛臨第16特混艦隊上空，此時的特混第16艦隊已經只能靠剛剛和日本第2航空艦隊轟炸機群戰斗過的31架飛機進行殊死搏斗。但是這些戰機大多連機槍子彈都沒有了。很快16特混艦隊上空只有日軍的戰機在飛舞。
9點09分，企業號被一枚800kg的炸彈命中艦橋，指揮官雷蒙德．斯普魯恩斯海軍少將當場死亡。
9點12分，企業號被3條魚雷命中，艦船左傾下沉。艦上降落的戰機一架架的向海底滑落。船員們已經放棄了止損，一個個搶著往大海里跳。
9點13分，大黃蜂號中彈起火。
9點15分，大黃蜂號被一條魚雷命中燃油庫，爆炸下沉。
9點20分，新奧爾良號重巡洋艦、明尼阿波利斯號重巡洋艦、分別被魚雷擊中。
9點30分，企業號沉沒，艦上576名官兵沒有逃出死神的懷抱。
9點35分，日軍第二波空襲結束，日軍損失戰機33架。美軍企業號沉沒，大黃蜂號沉沒，3艘重巡洋艦沉沒，1艘輕巡洋艦被擊傷，4艘驅逐艦沉沒。美軍第16特混艦隊基本被全殲，余下還有4艘重巡洋艦、1艘輕巡洋艦以及2艘驅逐艦。
得知第16特混艦隊被轟炸的特17特混艦隊的弗萊徹少將立刻將艦隊轉向遠離中途島月兌離了交戰區，並沒有繼續攻擊日軍的第二航空艦隊。日後美軍研究人員認為，弗萊徹少將完全可以繼續在日軍第二航空艦隊身後尋找日軍第一航空艦隊，這時日軍的2只航空艦隊上的艦載機都已經前去轟炸第16特混艦隊。完全有可能殲滅日軍的主力航母。
11點18分，日軍登陸艦隊炮擊中途島。
15點15分，日軍登陸中途島，6400人登陸。
17點30分，美軍潛水艇攻擊三分隊發現日軍第一航空艦隊，4艘潛水艇借著夜色靠近.
18點03分，美軍潛水艇向赤城號發射了4條魚雷。
18點06分，美軍潛水艇向飛龍號發射了4條魚雷。
18點08分，赤城號後部、中部被命中2條魚雷。赤城號起火，速度降至12節。
18點10分，加賀號被命中3條魚雷，速度降至9節。
18點11分，美軍潛水艇冒死突擊，4條潛水艇逼近至日軍第二航空艦隊3公里處，連續發射8條魚雷，2條命中加賀號，4條命中霧島號，霧島號被命中輪機艙和中部。隨即日軍驅逐艦擊沉3艘潛水艇。逃出生天的美國潛水艇「小鯊魚」號，全艦官兵都成了英雄。
18點24分，霧島號被宣布棄艦。
日軍第一航空艦隊迅速向西北撤退與第一艦隊匯合。
22:20分，日軍登陸部隊在戰艦的幫助下，佔領中途島。俘獲美軍706人，飛機9架。