日本大本营也没有忘记扩大太平洋防御圈，山本五十六受命解决远程防御的问题。这位海战的赌徒决定再次攻击中途岛，扩大防御圈。
山本五十六集中了太平洋海域的4艘主力航母、赤城、加贺、飞龙、苍龙号。不过穿越的蝴蝶在这里扇动了他那伟大的翅膀。山本五十六并未如历史上的二战中布局其舰队。他并没有派遣舰队向阿留申群岛佯动，而是将2艘轻型航空母舰龙骧号、隼鹰号，和其上搭载的舰载机82架，水上飞机母舰1艘，水上飞机10架，重巡洋舰3艘，驱逐舰12艘编成了第二航空舰队，同时将高须四郎的掩护编队也编入了登陆舰队。这使日军在中途岛区域拥有了6艘作战航母，200艘各级战舰，7000名登陆作战人员。
山本五十六率领第一舰队的3艘战列舰、1艘轻航母，和其他10艘战舰作为指挥，在中途岛以北800公里处。
南云忠一指挥的第一航空舰队负责掩护登陆编队和轰炸中途岛。
细萱中将指挥的第二航空舰队负责警戒周边海域的美军战舰
高须四郎指挥的登陆舰队有轻型航空母舰1艘，水上飞机母舰2艘，舰载机23架，水上飞机80架，战列舰4艘，重巡洋舰8艘，轻巡洋舰2艘、驱逐舰23艘，扫雷艇4艘，以及运输船18艘，运载地面部队7000人，负责在中途岛登陆。
日军的动向，美军已经通过电信破译获得了消息，因此尼米兹也将太平洋舰队仅有的3艘航母、约克城号、企业号、大黄蜂号全部潜伏在中途岛海域，准备寻机攻击日本联合舰队。考虑到舰队数量上的差异，尼米兹还学习了德国的狼群战术，调遣了30艘各类潜水艇组成攻击编队，埋伏在中途岛西面800公里的扇形范围内。这一举措被后世研究人员认为是神来之笔，挽回了美国海军的少许颜面，也保证了美军能在1943年不至于被日本海军攻到西海岸的家门口。
1942年6月13日凌晨，第一批轰炸机和护航战机从南云忠一指挥的第一航空舰队起飞，前往中途岛轰炸。同时第二航空舰队的水上飞机母舰和重巡洋舰派出了8架侦查飞机向中途岛东面和南面进行搜索。
7点，第一批轰炸的飞机遭遇中途岛上空美军严阵以待的62架战斗机。日军战机猝不及防，双方战斗机在空中混战。许多架轰炸机被直接击落，在天空中炸出朵朵红云。余下的轰炸机在乱战中匆忙将500KG的炸弹扔到中途岛上空，许多炸弹直接扔出了中途岛的陆地范围。海面上激起巨大的浪柱，翻卷的水雾散漫在整个天空，迎着清晨的阳光，化为片片七彩的云雾。在陆地上爆炸的航空炸弹，膨出的烟尘像是一个个高耸的蘑菇，此起彼伏着显现。高射炮的射击时不时地在天空中爆发出点点的火花，像是新年里的烟花。不大点的中途岛沉浸在烟和火的世界中。
7点20分，美军陆基侦察机在中途岛以西150海里处发现日军的第二航母舰队。迅速的发回了位置和坐标。
7点30分，美军由战斗机、鱼雷机、俯冲轰炸机所组成的117架战机，从斯普鲁恩斯少将所率领的第16特混编队大黄蜂号及企业号升空，奔向200海里外，细萱中将指挥的舰队。同时，中途岛基地冒着战火起飞的1个鱼雷机中队也奔向了150海里外的日军第二航空舰队。
7时40分，日军第二航空舰队的水上母舰的一艘侦察机发现了处于中途岛以南180海里的美军航母舰队第16特混舰队。
7点50分从日军第二航空舰队上起飞了36架轰炸机、10架鱼雷机和21架护航战斗机。
8点02分，得知中途岛上有大批战机防护的南云忠一改变策略，将第一波轰炸回收的战机用于攻击美军航母。日军第一航空舰队派出144架战机向美第16特混舰队出击。
8点14分，美军的第一波空袭战机来到日军第二航空舰队上空，开始攻击。轰炸机编队指挥员哈斯少校发现日舰甲板上并无战机，判断日军也已发现己方航母。哈斯少校迅速的将消息传回第16舰队。5分钟后16特混舰队的美军护航战斗机全部升空。由于第二航空舰队是以轻航母为主，舰载机并不如第一航空舰队那么先进。空战中许多99舰战抵不过美军的F4F，这让美军的轰炸机得以毫无干扰的进行攻击。
8点18分，第一条鱼雷命中轻航母龙骧号。鱼雷命中舰首左舷。随即三条鱼雷直接命中龙骧号中部，巨大的爆炸力将龙骧号直接炸成两节，舰船迅速下沉。舰上384名官兵直接被海水吞没。
8点19分，日军轻航母隼鹰号被2枚炸弹命中后甲板，舰船起火。驱逐舰五月雨号被炸沉。
8点20分美军结束第一波空袭返航，损失战斗机17架，轰炸机12架，鱼雷机12架。日军龙骧航母被击沉，隼鹰号被弹起火。日军护航战斗机损失26架.
8点25分，美军中途岛陆基12架鱼雷机来到日军第二航空舰队上空。由于日军第二舰队的护航战斗机已近被基本击落，因此这波鱼雷攻击机基本是毫发不伤的进行了痛快的攻击。首先遭殃的就是轻航母隼鹰号。遭遇比龙骧号还要悲惨。6条鱼雷直接命中，舰体瞬间被扯成碎片，四处飞扬的碎片和殉爆的烟尘十几海里外都可以清楚的看到，324名船员全部葬身鱼月复。
8点27分，日军战舰山城号被3条鱼雷命中。
8点29分，日军战舰扶桑号被2条鱼雷命中，殉爆沉没。
8点32分轻巡洋舰大井号被2条鱼雷击中爆炸起火。
8点33分轻巡洋舰北上号被1条鱼雷击中弹药库，殉爆沉没。整个第二航空舰队所在的海面全部被爆炸的烟雾所笼罩。
不过上帝也不是万能的，这边美军轰炸机群在在日军第二航空舰队这边炸的欢，日军的空中敢死队也在美军第16特混舰队那儿一样狂扔炸弹。
8点34分，日军第一波空袭战机在云雾下找到了美军第16特混舰队。由于美军有所准备，44架战斗机直接扑向日军的轰炸机和鱼雷机。日军护航的21架零战，迅速接战。这次天照压倒了上帝发挥了作用。
8点36分，2枚800KG炸弹命中企业号航母后甲板，后甲板表面损坏，并引起火灾。
8点38分，一枚鱼雷命中企业号中部。
8点38分，2条鱼雷命中大黄蜂号后部，轮机舱受损，航母失去一半动力，速度降至9节
8点45分，日军第一波空袭结束，日军只逃走了8架零战，12架轰炸机，鱼雷机被全歼。
8点55分，日军山城号战列舰被弃舰。
9点03分，日军第二波144架空袭机群飞临第16特混舰队上空，此时的特混第16舰队已经只能靠刚刚和日本第2航空舰队轰炸机群战斗过的31架飞机进行殊死搏斗。但是这些战机大多连机枪子弹都没有了。很快16特混舰队上空只有日军的战机在飞舞。
9点09分，企业号被一枚800kg的炸弹命中舰桥，指挥官雷蒙德．斯普鲁恩斯海军少将当场死亡。
9点12分，企业号被3条鱼雷命中，舰船左倾下沉。舰上降落的战机一架架的向海底滑落。船员们已经放弃了止损，一个个抢着往大海里跳。
9点13分，大黄蜂号中弹起火。
9点15分，大黄蜂号被一条鱼雷命中燃油库，爆炸下沉。
9点20分，新奥尔良号重巡洋舰、明尼阿波利斯号重巡洋舰、分别被鱼雷击中。
9点30分，企业号沉没，舰上576名官兵没有逃出死神的怀抱。
9点35分，日军第二波空袭结束，日军损失战机33架。美军企业号沉没，大黄蜂号沉没，3艘重巡洋舰沉没，1艘轻巡洋舰被击伤，4艘驱逐舰沉没。美军第16特混舰队基本被全歼，余下还有4艘重巡洋舰、1艘轻巡洋舰以及2艘驱逐舰。
得知第16特混舰队被轰炸的特17特混舰队的弗莱彻少将立刻将舰队转向远离中途岛月兑离了交战区，并没有继续攻击日军的第二航空舰队。日后美军研究人员认为，弗莱彻少将完全可以继续在日军第二航空舰队身后寻找日军第一航空舰队，这时日军的2只航空舰队上的舰载机都已经前去轰炸第16特混舰队。完全有可能歼灭日军的主力航母。
11点18分，日军登陆舰队炮击中途岛。
15点15分，日军登陆中途岛，6400人登陆。
17点30分，美军潜水艇攻击三分队发现日军第一航空舰队，4艘潜水艇借着夜色靠近.
18点03分，美军潜水艇向赤城号发射了4条鱼雷。
18点06分，美军潜水艇向飞龙号发射了4条鱼雷。
18点08分，赤城号后部、中部被命中2条鱼雷。赤城号起火，速度降至12节。
18点10分，加贺号被命中3条鱼雷，速度降至9节。
18点11分，美军潜水艇冒死突击，4条潜水艇逼近至日军第二航空舰队3公里处，连续发射8条鱼雷，2条命中加贺号，4条命中雾岛号，雾岛号被命中轮机舱和中部。随即日军驱逐舰击沉3艘潜水艇。逃出生天的美国潜水艇“小鲨鱼”号，全舰官兵都成了英雄。
18点24分，雾岛号被宣布弃舰。
日军第一航空舰队迅速向西北撤退与第一舰队汇合。
22:20分，日军登陆部队在战舰的帮助下，占领中途岛。俘获美军706人，飞机9架。