作者：周明Email:zmgym@online.sh.cn2001年11月
（三）
5月29日，日军各舰队按照既定计划向各自目标挺进，除北方部队遇到大雾外，其他舰队都比较顺利。
5月30日，中太平洋气候逐渐转坏，狂风暴雨中日军各舰队航行非常困难，不得不降低航速。更为严重的是“大和”号监听到了一艘美军潜艇在运输船队附近海域发出的长篇紧急电报，尽管日军无法破译密码，无法知道电文具体内容，但毫无疑问，运输船队肯定已被发现，中途岛作战成功的前提条件保密性已荡然无存。面对如此严重的敌情变化，狂妄自大的日军却丝毫不以为然，联合舰队司令部的有些军官还乐观地认为如果美军猜到我们的作战意图，出动舰队阻止我军进攻的话，正好可以达到诱敌出动之目的，为全歼美军舰队创造有利条件。
5月31日，中太平洋天气依然没有好转。“大和”号又监听到美军夏威夷和阿留申地区电信通讯异常频繁，飞机、潜艇的电讯往来尤其活跃，还有一支特混舰队出航的明显迹象。由于“K号计划”侦察行动受挫，山本无法弄清目前美军在珍珠港究竟有多大兵力，但是他仍寄希望于先遣编队潜艇所建立起的警戒线将能够提供早期预警以及美军兵力情况。可是在日军潜艇建立起警戒线之前，美军的两支航母编队就已通过了，山本的这一算盘又落空了。因此中途岛之战是在日军丝毫没有掌握美军动态的情况打响的。
同日，日军伊—9号、伊—15号、伊-17号、伊—19号潜艇分别对基斯卡岛、阿达克岛、阿图岛和荷兰港进行侦察。完成侦察任务之后，伊—19号到乌尼马克岛巡逻，伊—9号、伊—15号和伊—17号到达北纬49度、西经166度和北纬5l度、西经166度之间的丙警戒线就位。伊—25号和伊—26号在完成对阿拉斯加的奇里柯夫岛、西特基纳克岛和科迪亚克岛的侦察之后，前往西雅图巡逻，并对阿斯托里亚和温哥华等地岸上目标实施炮击。
6月1日，大雨停歇，但能见度依然很低，以至于日军主力编队被迫打破无线电静默与油船联络，以便进行海上加油。
这天，越来越多的迹象表明，美军已经发现了日本部队，至少是明显感觉到日军舰队在向中途岛移动。日军无线电监听发现当天从夏威夷发出的电讯明显增加，在所截收到的一百八十份电报中有七十二份是急电，这已充分说明局势异常紧张了。从沃特杰起飞的三架日本水上巡逻机，在沃特杰东北500海里海域上空，与一架美军PBY水上飞机遭遇，并且互相用机枪射击，这足已说明美军中途岛岸基飞机的巡逻半径已延伸到了700海里，此外还在威克岛以北和东北约500海里的地方都发现了美军潜艇，这几乎可以肯定，在中途岛西南600海里处，美军就部署了潜艇巡逻线。
这一切，充分说明美军已提高了戒备，但日军却未能相应更改计划。
6月2日，由于海上能见度太低，日军被迫取消海上加油。按计划应该在当天到达夏威夷西北建立警戒线的第五潜艇战队，由于出航前的检修耽误了时间而推迟了从本土起程的日期，没有按时到达指定阵位。而计划在夏威夷以西建立警戒线的第三潜艇战队的潜艇，也因为“K号作战”流产的影响未能按时到达指定地点，这些潜艇实际上直到6月4日才到达指定阵位，因而也就失去了应有的作用。只有在中途岛地区进行侦察的伊—168号潜艇，发来了一份报告：“除在桑德岛以南发现一艘警戒舰外，未发现其他舰艇；敌人似乎加强了对中途岛南西方面的巡逻，巡逻距离大概为六百海里；看来敌人在实行严格的警戒，大批敌机昼夜二十四小时在实施防御巡逻，岛上还可看到有许多吊车，说明有些设施正在扩建中。”尽管此次作战联合舰队计划主要依赖潜艇侦察，但实际上在整个中途岛作战期间，潜艇发来的重要情报只此一份！
机动编队司令南云海军中将和山本一样，一点都不了解美军舰队的动向。更为严重的是由于南云旗舰“赤城”号无线电接收能力有限，加之在航行中保持无线电静默，南云还不知道“大和”号所接收到的很多重要情报，这些情报强烈显示出美军已经知道日军舰队正在向中途岛移动，这正是南云参谋长草鹿海军少将所担心的——草鹿在出发前曾再三请求“大和”号将一切重要无线电监听情报及时转发给“赤城”号，但是山本显然还希望出其不意，觉得应当继续保持无线电静默，因此没有将这些重要情报通报给南云，这就使南云后来是在毫无防备的情况下遭到美军攻击。此刻，南云对于即将开始的作战也是忧心忡忡，因为自己受领的是双重任务，既要以航母的舰载机压制消灭中途岛美军的岸基航空兵，又要对付美军舰队的攻击。尽管四艘航母上有在编舰载机266架，和一大批经验丰富的精锐飞行员，但要同时担当这两项艰巨任务，这点兵力是有些拮据，用南云自己的话说就是像一个猎人同时要追两只兔子！
直到6月2日日落时分，日军舰队冒着恶劣天气逐渐驶近目的地。此时还没有肯定的迹象表明任何日军被发现，因此联合舰队自司令长官以下直到每一个人都还认为日军仍然掌握着出敌不意这一宝贵的有利条件。
6月3日8时，山本根据预定计划命令第一舰队司令长官高须四郎海军中将指挥第二战列舰战队“伊势”号、“日向”号、“扶桑”号和“山城”号四艘战列舰离开主力编队北上，支援北方编队的作战。
9时，第二驱逐舰战队司令官田中赖三海军少将报告，由他负责掩护的登陆编队被美军巡逻飞机发现，运输船队在机动编队空袭中途岛前被发现，这一情况完全出乎山本意料。为了确保运输船队的安全，山本在制定作战计划中就对航速较低的运输船队的出发时间，是先于机动编队出发还是后出发考虑再三。最后决定机动编队早出发，以便在运输船队在进入中途岛岸基飞机巡逻范围内之前，机动编队就能先攻击中途岛的美军航空兵力。现在运输船队先被发现，似乎预示着作战前景不容乐观。——接到发现日军舰队的报告，连一贯喜怒不形于色的尼米兹都按捺不住舒畅的心情，喜形于色地说：“一切都明朗了！”这意味着美军根据破译日军密码所得出的情报完全正确！这也意味着此次作战美军已经清清楚楚地洞悉了日军所有作战计划！尽管美军飞行员将登陆编队误报为敌主力舰队，尼米兹和弗莱彻都对照情报准确判断为登陆编队，谨慎持重的尼米兹还特意致电弗莱彻强调这是日军的登陆编队，要求他按兵不动，继续组织侦察搜索。下午，美军9架B—17轰炸机从珍珠港起飞，对运输船队发起了攻击，但没有任何战果。次日凌晨，4架装备雷达的PBY水上飞机对运输船队发动了夜袭，击伤“曙丸”油船。——面对如此严重的敌情变化，精通战略的山本竟没有做任何应变，仍坚持机动编队和主力编队未被发现，还有达成突袭的可能，继续按计划实施。
6月3日23时许（即阿留申时间3日2时许），北方编队的先锋部队——由第二机动部队司令角田觉治海军少将直接指挥的第四航母战队到达攻击阵位。天空依然是浓雾弥漫，但日军还是按计划于23时45分起飞飞机，从“龙骧”号航母起飞了11架轰炸机和6架战斗机，从“隼鹰”号起飞12架轰炸机和6架战斗机，空中领队长机为志贺淑雄海军大尉。起飞中“龙骧”号的一架轰炸机因机械故障坠海。由于云层低垂，无法保持编队飞行，所以各机只好各自飞往荷兰港。日军攻击飞机刚刚飞走，一架一直监视日军编队的美军水上飞机就从雾中飞出，向日舰投弹，但都没命中。
由山上正幸海军大尉率领的“龙骧”号攻击机群，凭借着高超的飞行技术穿过低云，飞抵荷兰港上空。但是没有发现美军的飞机和舰艇，6月4日1时7分，日军轰炸机攻击了电台和油库，战斗机扫射了停在水面上的一架水上飞机。一架零式战斗机被美军炮火击中后迫降在荷兰港东北阿克坦岛南岸，其余日机全部返回了航空母舰。那架迫降的零式飞行员忠吉少尉在着陆时误将沼泽看作平地，不仅自己在迫降时丧生，而且飞机也陷入泥潭。——五个星期后，美国海军飞行员威廉姆·塞尔斯上尉驾驶着一架VP41侦察机发现了这架近乎完整无损的零式战斗机，他们下降高度并在地图上标明了位置后才返航，不久塞尔斯亲自率领一支美军侦察分队找到了这架仅有表面轻微损伤飞机，将其分解拖出沼泽，运到荷兰港进行清洗并重新组装，再运往美国本土圣迭戈岛北部的海军航空兵基地将其修复一新。这是美军缴获的第一架较完整的零式，美军对这架零式进行了细致的结构分析和研究，并在不到一个月内，由海军试飞员爱德华·桑德斯上尉驾驶进行了24次试验飞行，使美军获得了零式宝贵的第一手资料。美军得出结论：这种飞机只有在进行较低航速下才具有极佳的操作性能和极小的转弯半径。但当航速达到371千米／小时以上时，它就会变得十分笨拙，滚翻控制就十分困难，而且这时拉动操纵杆必须付出极大的体力。零式机向左滚翻、转弯比左向右要容易得多。此外，在负加速条件下，该机的发动机极易熄火——这是它使用的浮动式化油器的最大缺点。美军从而摸索总结出针对零式性能弱点的空战格斗战术：空战中，只要以垂直方向进行动力俯冲并打开加力，就可以迅速摆脱攻击，而零式机此时往往会突然停车。还可在370千米／小时的航速时，飞机突然向右转并横滚，零式机根本无法追上。这一战术迅速在美军战斗机部队中推广，但日军发现忠吉的零式机失踪后，立即着手改进了零式飞机高速状态下的操作性，但由于时间紧、战事急，零式右侧滚翻笨拙的缺陷一直没有得到改进。战史记录表明，从1942年年底以后的空战，有大批美、英、澳等国盟军飞机员成功地以右滚翻动作摆脱了零式机的追杀。战后曾有人试图统计利用这一秘密而逃生的盟军飞行员数量，但一直没有确切的结果。对于美军来说，正如一位空军将领所说：“即使我们用忠吉的零式飞机资料只使一名美国飞行员获救，也就算值啦!”
1945年1月这架零式在圣迭戈的海军航空兵基地起飞时，美军一架SB2C“地狱潜水者”式飞机忽然从天而降，将其碾得粉碎，驾驶员获救，但飞机却彻底毁了。只留下气压计、航速计、两片折弯了的机翼以及几大片机身蒙皮，后来绝大部分残余物都被永久保存在华盛顿海军航空博物馆，而零式的操纵手册则保存在阿拉斯加的航空博物馆里。美军中将诺歇尔，曾担任过美军阿拉斯加等基地的司令，后来升任美国航空局局长，他认为，“零式的解密是美军在空战中极大的成功!”因此缴获零式，可以算是一件具有极大意义的事件，也是阿留申群岛之战美军的一大意外收获。
志贺海军大尉率领的“隼鹰”号攻击机群，因气候恶劣，未能到达荷兰港，无功而返。
这样，首次攻击没有达成预期战果。可是，攻击荷兰港时所拍摄的空中照片表明荷兰港的设施要比日军想象的好得多，该港拥有机场、现代化仓库、营房、码头、油库和完善的公路网。
山上正幸在返航途中发现乌纳拉斯卡岛北岸的马库欣湾里停着五艘美军驱逐舰。以极富攻击精神而著称的角田立即下令起飞全部飞机前去攻击，他不但派出了“龙骧”号和“隼鹰”号两艘航母上的飞机，还出动了“高雄”号和“摩耶”号重巡洋舰所携带的水上飞机，总共24架飞机，但由于天气恶劣，大部飞机被迫中途折返。出击飞机返航时，能见度极低，出击的飞机无法保持队形，只好分成小股紧挨着海面返航。所有飞机着舰后，角田率部继续前进，直到离岸约100海里的海域。在此期间，“高雄”号和“摩耶”号重巡洋舰的四架九五式水上侦察机，继续冒着恶劣气候起飞搜索。它们遭到数架美军战斗机的截击，在混战中有两架被击落，另两架负伤，最后都在降落时因伤重失控坠毁。
按照预定计划，角田的航母战队在对荷兰港实施两轮空袭之后应继续西进，于5日空袭阿达克岛，6日空袭基斯卡岛，但是鉴于对荷兰港的空袭没有取得预期效果，加之又发现荷兰港拥有机场、现代化仓库、营房、码头、油库和完善的公路网，无疑是美军在该地区的战略基地，因此日军北方编队司令细萱决定于次日对荷兰港实施第三次空袭。
6月5日10时，美军出动多架B—17、B—26和PBY攻击角田的航母编队，由于天气恶劣没有取得战果。当角田完成第三次空袭准备，出击机群即将起飞之际，却接到山本越过细萱直接下达给他的电令，命他立即率部南下与机动编队会合。角田不清楚中途岛方向发生了什么变故，但他认为荷兰港还没有遭到有效的压制，对于北方编队的下一步作战行动十分不利，既然已经完成了出击准备，那就完成空袭之后再行南下，于是他在11时40分派出9架攻击机、11架轰炸机和11架战斗机对荷兰港发动空袭，待这批飞机返回航母之后，角田才于15时30分率部南下。途中又接到山本命令，暂停中途岛作战，继续阿留申作战，角田所部因此又转而北上，支援在基斯卡岛和阿图岛的登陆作战。
由于中途岛方向作战的失利，山本曾命令基斯卡岛和阿图岛登陆编队返航，后在北方编队司令细萱中将的坚持下，才恢复在基斯卡岛和阿图岛登陆行动，登陆编队这才掉头继续前进。
6月7日深夜，向井一二三海军少佐指挥的舞鹤镇守府第三特别陆战队约600人在基斯卡岛登陆；6月8日凌晨，穗积松年陆军少佐指挥的陆军北海支队约1200人在阿图岛登陆，两岛的登陆均未遭到美军抵抗，这是因为美军北太平洋部队司令西奥博尔德海军少将不相信尼米兹通报的敌情，认为日军不会兴师动众夺取几个荒芜人烟的小岛，其真实目的是为了在荷兰港或阿拉斯加登陆，所以他根本没有在这两岛屿上部署守备部队，主要舰艇部队也都部署在荷兰港以东，因此直到6月10日美军巡逻飞机才发现日军占领基斯卡岛和阿图岛。
阿留申群岛作战至此结束。美军荷兰港只遭到轻微损失，基斯卡岛和阿图岛的失守无论在战略上还是战术都无多大意义，仅仅是颜面上难看点罢了。由于美军已经清楚地掌握日军主要攻击目标是中途岛，所以日军此次佯攻作战完全没有达到目的。
（四）
6月3日下午，日军机动编队以二十四节航速直扑中途岛，编队采取环形队形，中央是四艘航母，四周是“榛名”号和“雾岛”号战列舰、“利根”号和“筑摩”号重巡洋舰、“长良”号轻巡洋舰和12艘驱逐舰。距离中途岛越来越近，日军上下都比较紧张，了望接连发出误报，使编队虚惊几回。
6月3日这一晚对于美军舰队的官兵而言，无疑是漫长的一夜！很多人写好了遗书，地勤人员则通宵苦干检查飞机，厨师忙碌地制作数以千计的三明治，作为明天的战斗快餐。倒是作为战斗主角的飞行员，异常的空闲，直到晚上9时，热闹的马拉松式的掷骰子赌博才宣告闭幕，因为美军历来迷信“赌场得意，战场失意”，在战斗前夕赌博中大输的人，才会在战斗中拥有好运，所以输的人无一不是心中窃喜。要知道明天，美利坚合众国的命运就掌握在这240名飞行员手中！
美军根据3日的战斗接触，已预料到4日必会受到日军的袭击，做好了一切战斗准备，并通过破译密码已经掌握日军机动编队将从西北方向接近，只是还未发现，因此日出前，中途岛的岸基航空兵就向西北方向派出了PBY巡逻机，并出动15架B—17轰炸机前去攻击昨天发现的日军登陆编队，而在海上的美军舰队，弗莱彻也于日出后从“约克城”号派出10架SBD“无畏”俯冲轰炸机前去搜索。
6月4日凌晨1时30分，美军航母上的飞行员起床，开始用牛排煎蛋早餐。几乎同时，几百千米之外，日军航母上的飞行员也开始进早餐，那是由米饭、豆汤、腌菜、干栗子，还有米酒组成的传统的征战餐，士气高昂的飞行员一边用餐，一边互祝胜利。
6月4日凌晨2时45分，日军机动编队逼近中途岛，开始进行出击准备。南云的得力助手，作战参谋源田海军中佐不顾肺炎尚未痊愈，抱病来到指挥舰桥上，航空战术专家源田的出现，大大激励了舰桥人员的士气。因为半年多来，他的筹划和参谋，在机动编队的连战连捷中，起到了重要作用。
4时30分，日军机动编队到达中途岛西北240海里处，按照预定计划从“赤城”号和“加贺”号航母各派出一架飞机，“利根”号和“筑摩”号巡洋舰各派两架水上飞机，“榛名”号战列舰派一架水上飞机，共计7架侦察机对东南海域进行分区扇面搜索，除了“榛名”号的飞机搜索半径只有150海里外，其余飞机搜索半径都是300海里。日军虽然拥有足够的侦察机，却没有进行更为可靠的双相侦察，而只进行了已被证实并不可靠的单相搜索，即对每个扇面只有一架侦察机，一旦发生任何意外，就难以补救！更致命的是“利根”号巡洋舰因弹射器故障，其所携的侦察机未能按时起飞，“筑摩”号的一架侦察机引擎又发生故障，不得不在中途返航。这成为后来日军失利的致命原因！回顾双方在这次海战中的全部经过，“筑摩”号这架中途折返的侦察机本应该正好从美军舰队上空飞过！而在这架飞机以南搜索扇面内进行搜索的又正好是晚起飞的“利根”号的侦察机，它因为返回途中航向偏差才意外发现美军舰队，如果南云采取更周密的双相搜索，如果“筑摩号”的飞机能飞完全程，如果“利根”号的飞机能按时起飞的话，那就将使南云能在下达换弹命令前发现美军舰队，那么战役的结局或许完全不同！
南云只派出7架侦察机目的显然是为了最大限度集中兵力攻击中途岛，不愿多派飞机去进行侦察搜索，削弱攻击的力量。这一方面是南云始终担心以自己手上的这些飞机同时担负两项使命，力量不足；再一方面他认为中途岛海域不会有美军舰队，单相搜索已足够了。相反，美军在基本掌握日军作战企图的情况下，依然派出了占总数三分之一的飞机实施侦察搜索，双方对于尽快准确了解对方情况这点上，简直是天壤之别！这也在一定程度上决定此次海空决战的胜负！
攻击机群就要起飞去空袭中途岛了，而南云对于美军舰队的动向仍然是一无所知。此刻，南云对敌情是这样判断的：美军舰队将会在日军攻击中途岛之后或从珍珠港出海，或从所罗门群岛北上；中途岛美军岸基飞机的空中巡逻主要是向西和向南，而不是机动编队所在的北面和西北面；美军空中巡逻半径估计约为500海里（实际上，美军空中巡逻半径达700海里！）；美军既未察觉日军企图，也未发现机动编队；在机动编队附近没有迹象表明有美军舰队；因此可以先空袭中途岛，歼灭岛上岸基飞机后，再转头迎击美军舰队，并予以歼灭。——这就是南云的临战判断，当然这不能认为是他个人的过失。
在此判断下，南云决定首先空袭中途岛，4时45分，从4艘航母上共起飞108架舰载机，其中零式战斗机、九九式俯冲轰炸机和九七式水平轰炸机各36架，每架九七式轰炸机携带一枚250千克炸弹，每架九九式轰炸机则携带一枚800千克炸弹。由源田推荐的“飞龙”号飞行分队长友永丈市海军大尉代替他担任空中总指挥兼轰炸机领队长机，“加贺”号飞行分队长小川正一海军大尉为鱼雷机领队长机，“苍龙”号飞行分队长菅波政治海军大尉则带领战斗机负责护航。这是友永在太平洋战争中的第一次出击，他在出发前刚到“飞龙”号报到，但他是中日战场上的老兵，具有丰富的实战经验，小川和菅波则参加了机动编队从偷袭珍珠港至今的历次作战，是海军航空兵飞行员中的佼佼者，大多数飞行员也都是参加过偷袭珍珠港的老兵。这里特别要谈谈零式战斗机，1940年7月日本海军正式采用，编号为A6M1型。因为这一年是日本皇纪
2600年，日本海军飞机命名惯例是取皇纪年代的后两位数，按理应叫“零零”式，但实际只取了一个“零”，所以日军称为零式舰战，零式采用了当时所能采用的一切先进理论和技术成果，具备了重量轻、转弯半径小、机动灵活、火力强、航程远、速度快等世界级优秀战斗机所具有的一切优点，可以称得上是日本飞机设计的重要里程碑，它实现了多个第一，如首次采用全封闭可收放起落架、电热飞行服、大口径机关炮、恒速螺旋桨、杜拉铝承力构造、气泡形座舱和可抛弃的大型副油箱等设备，被誉为“东方战斗机的骄傲”。第一个突出特点是轻，设计师堀越二郎在飞机主桁梁上大胆采用含微量铬锰的超硬铝合金，抗拉强度好，耐疲劳强度更好，而且机体重量极轻，21型的空重仅1570千克。零式性能优势的最大来源就是轻，因为轻，翼载小，完全弥补了发动机动力的不足，保证了极大的续航力，转场航程高达2278千米！与此相比，同时代德国的Me—109和英国的喷火等各国战斗机均没有零式这样的大续航力，Me—109和喷火的转场航程分别只有663和1060千米。零式的优势，也是它的弱点所在，由于出于重量的要求，省略了装甲防护，而且由于大量铝合金的采用，导致机体极容易燃烧和解体，生存性很差。这一缺点在战争初期被零式相对性能比较优异，以及日军飞行员的高素质所掩盖。第二个特点是极其优异的垂直机动性能，由于零式采用了轻型结构，自重轻，机体气动外形好，翼面载荷小，发动机剩余推力大，使它的爬升率达到惊人的水平。据测算，零式一分钟内可爬升900米，3分30秒爬升
3000米，6分钟爬升6000米。与之相比，同时代美国P—39“飞蛇”战斗机每分钟爬升673米；F4F“野猫”舰载战斗机每分钟爬升747.5米；P—40“战鹰”战斗机每分钟爬升约600米；苏制依—15、依—16飞机爬升到6000米则需要15分钟。这一优点，具体表现就是极其优异的垂直机动能力，这使零式在战斗中占尽优势。与零式缠斗，很难从背后将其咬住，甚至还会遭到零式的反转被其咬住。据曾与零式进行过空战的飞行员说：“零式飞机很怪，似乎有一种神秘的性能，当你要追上它时，甚至已经看见它的翼梢在抖动，好像马上就要在空中解体，可它却突然一个斤斗翻转过来，反倒从背后将你咬住。”第三个特点是工作环境好、操纵灵敏，零式在日本舰载战斗机中首次采用了密封座舱，大大改善了飞行员工作环境。其操纵系统设计水平高，工作非常灵敏。驾驶过它的飞行员说：“只要手指稍稍一动，飞机就能有明显的反应。”最后一个特点是火力猛，除了有2挺7.7毫米机枪外还有2门20毫米航炮。当时世界上的战斗机配置航炮的为数寥寥，像中国空军使用的苏制依式战斗机仅有4挺7.6毫米机枪，美军战斗机则多只有12.7毫米机枪。可惜实际运用上存在问题，20毫米机炮的射速不高，而且备弹有限，而7.7毫米机枪的威力又太小，因此在实战中，零式的火力可能不及美军野猫式和恶妇式多挺12.7毫米大口径机枪有效。
太平洋战争初期，零式性能超过所有盟军飞机，特别是其机动性和续航力更是独步天下，无人能及。当时美国的F2A“水牛”、P—40“战鹰”等战斗机，面对零式可以说是一筹莫展。在香港、新加坡、菲律宾甚至印度洋，零式统治了整个的天空。直到开战六个月后在珊瑚海，零式受到了F4F“野猫”战斗机有力的挑战，其装甲薄弱、马力较低的弱点逐渐暴露出来。1943年后，随着美国对零式性能的熟悉，以及针对零式而推出的F6F“恶妇”战斗机，零式的性能优势丧失殆尽。再以后随着美国F4U、P—38、P—47、P—51等优秀战斗机的大量服役，零式无论从性能还是数量上均处于劣势，其机体脆弱的缺点，逐渐成为致命伤，因此在特鲁克和马里亚纳海空战中零式几乎成为被猎杀的飞鸟。从此，零式失去了昔日不可一世的威风。零式战斗机总产量为10449架，为日本二战飞机产量之最，几乎成为日本战斗机的代名词。零式有多种改进型号，其中零式21型（A6M2）是战争初期最主要的型号，单座，一台940马力气冷活塞发动机，最大时速544千米，升限11000米，曾在珍珠港和中途岛上空大展身手，是零式神话的创造者。1942年7月，换装1130马力“荣21”发动机的零式32型（A6M3）开始服役，主翼端呈方角形，翼展减少到11米，改善了横向操纵性，时速略有增加，但航程减少。1942年秋天，在32型基础上又恢复了21型的12米圆梢主翼，翼内还增加了两个45升副油箱，其综合性能优于32型，被称为零式22型。由于日本对零式过于自信，称之为“万能战斗机”，因此故步自封，影响了换代型号的研制。由于换代的A7M“烈风”的研制一直没有成功，零式被迫不断改进来应付越来越艰难的战局。1943年8月零式52型（A6M5）试飞，翼展缩短到11米，时速增大到560千米。还进行了包括翼上机炮改用弹链供弹以增加携弹量，加强机翼刚性和加装装甲板、防弹油箱等改进。零式52型的生存能力大幅度提高，但是由于机重增加，灵活性反而下降。零战52型共生产6000架以上，占零式战斗机生产总数一半以上。此后在零战52型的基础上还发展了可装载一枚500千克炸弹的战斗轰炸型零战62型（A6M7），该型强化尾翼并增加了2个150L的翼尖油箱。以及换装了1560马力的发动机的最终改进型零战54型（A6M8）。零式的性能随着时间推移逐渐落伍，1944年零式52型时速只有565千米，最终改进型零战64型也只有572千米。而当时各国主要战斗机时速均已达到600千米以上，甚至700千米。可见日本战时的工业潜力和技术发展水平有多么低下。零式战斗机在战争后期，已无法胜任空战的任务，只好沦为自杀飞机，使大批日本青少年沦为炮灰。
九九式俯冲轰炸机，日军称为九九舰爆，爱知公司生产，是根据德国技术生产的双座俯冲轰炸机，一台1300马力气冷活塞发动机，最大时速380千米，升限9300米，最大载弹量250千克，攻击时从4000米高度开始俯冲，直到450米投弹，尽管只能携带250千克炸弹，威力不大，但命中精度较高，加上俯冲攻击可予装甲防护薄弱的航母以致命打击，因此备受日军青睐，几次海战中甚至只出动九九式。九七式水平轰炸机，实际是三座攻击机，日军称为九七舰爆，中岛公司生产，一台1000马力气冷活塞发动机，最大时速377千米，升限7600米，既可挂800千克炸弹进行水平轰炸，也可携带鱼雷进行鱼雷攻击。水平轰炸时通常采取五机编队3000米集中投弹，以确保命中率。作为鱼雷机使用时则在280千米时速100米高度，以零角度投雷，除了在偷袭珍珠港时战果辉煌外，其他战斗中就乏善可陈。
第一攻击波刚起飞，南云就命令起飞9架战斗机进行空中掩护，另有9架战斗机在甲板上待命，随时准备起飞迎战。这点兵力来保护整个舰队似乎少了点，因为除去已经出发的第一攻击波，在甲板待命的第二攻击波外，这已经是南云手上最大兵力了！
5时，4艘航母的飞行甲板上又摆满了飞机，这是第二攻击波，以便一发现美军舰队便可起飞迎击。第二攻击波和第一波一样，也是108架飞机，战斗机、轰炸机、鱼雷机各36架。轰炸机队的领队长机是“苍龙”号飞行分队长江草隆繁海军少佐，他被公认为日本海军俯冲轰炸机头号王牌，在偷袭珍珠港的备战中，他和他的机队重点进行了攻击航母的强化训练，只是因为那天珍珠港内没有航母，才未能施展身手，但随后在印度洋作战中，他们击沉了英国“竞技神”号航母、“多塞特郡”号和“康沃尔郡”号重巡洋舰，显示出高超的技战术水平。鱼雷机领队长机是“赤城”号飞行分队长村田重治海军少佐，正是他解决了在珍珠港浅水中使用鱼雷的难题，并在偷袭珍珠港中取得了辉煌战果。战斗机领队长机是“赤城”号飞行分队长板谷茂海军少佐，他是海军老资格的战斗机飞行员，一位王牌飞行员。可以说这三位队长都是日本海军航空兵的王牌，而他们手下的飞行员也都是日本海军航空兵的精华，在训练、经验和能力方面，在整个日本海军中，再没有比他们更好的战斗集体了。虽然南云判断附近没有美军航母舰队，但为了防备万一，他还是谨慎地把第一流的部队留在手上。
5时45分，由威廉·蔡斯上尉驾驶的PBY水上飞机发现来袭的日机，立即用明码向中途岛报告。PBY“卡塔林那”水上巡逻飞机是联合公司生产，机组成员7人，两台1200马力气冷活塞发动机，最大时速278千米，升限4500米，自卫武器是两挺12.7机枪和三挺7.7毫米机枪，最大载弹量为1800千克，可挂载鱼雷和炸弹，巡航时间高达22小时，可担负反潜、侦察和救护等任务，在中途岛海战中发挥了巨大作用，各种变型型号的总产量高达3290架，创历来水上飞机之冠。
5时52分，由霍华德·艾迪上尉驾驶的PBY水上飞机发现日军机动编队，并借助云层的掩护巧妙避开日军战斗机的拦截，一面监视日军舰队一面向中途岛报告，“中途岛320度方位，距离180海里处，发现日军两艘航母及其警戒舰只！”这美军第一次同日军航母的接触。日舰无线电监听清楚地收到它拍发的电报，毫无疑问这是在报告日舰位置。一接到巡逻机报告，在中途岛机场待命的4架挂载鱼雷的B—26轰炸机、6架TBF鱼雷机、12架SB2U俯冲轰炸机和16架SBD俯冲轰炸机就立即起飞，这样既可避免遭到日军飞机的空袭，又能先发制人地攻击日军舰队。已经起飞前去攻击日军登陆编队的B—17机群也中途改变航向，飞向日军航母所在海域。
5时55分，中途岛的雷达发现日机来袭。
6时，中途岛拉响警报，并起飞26架战斗机迎击。一架美军PBY水上飞机一直悄悄尾随在日军飞机后，直到距离中途岛不到30海里处，才爬升到日军飞机上方投下一枚照明弹，向战斗机报警。美军战斗机看到照明弹后，立即上前拦截日机。从6时45分到7时10分，双方战斗机展开了激烈的空战，日军零式战斗机再次显示了它的优越性能，成功击退了美机的拦截。美机被击落16架，4架因伤在海上迫降，还有4架被击伤。日军只损失2架战斗机，而日军轰炸机和鱼雷机，无一损失。
小川率领的九七式俯冲轰炸机，穿过美军猛烈的高射炮火，超低空投下了所携带的250千克炸弹，九九式水平轰炸机则在3500米高度用800千克重磅炸弹集中轰炸了东岛机场，日机还轰炸了东岛和桑德岛的机库及其他地面设施。日军以3架九九式和1架九七式被击落的代价，炸毁了发电厂、储油罐、机库等一些地面设施。由于美军早有准备，岛上的飞机都升空躲避，所以友永在返航途中要求对中途岛进行第二次攻击。
此时，美军又有三架PBY水上飞机飞临日军舰队上空，这些PBY在云层中穿进窜出，令日军负责指挥空中警戒战斗机的指挥官忙得不可开交，不断引导日军战斗机前去攻击，但却毫无战果，一筹莫展。直到此时，日军侦察机却还没有任何发现。
6时07分，弗莱彻命令斯普鲁恩斯根据巡逻飞机报告的日舰队位置进行攻击。斯普鲁恩斯准备继续航行缩短同日军的距离，于9时再起飞飞机。但参谋长米尔斯·布郎宁上校认为如果7时起飞的话，将在日军攻击中途岛的飞机返回着舰时到达其上空，就可抓住这一有利时机进行攻击。斯普鲁恩斯沉思片刻采纳了他的建议，于7时02分命令“企业”号起飞14TBD架鱼雷机、33架SBD轰炸机和10架F4F战斗机，“大黄蜂”号起飞15架TBD鱼雷机、35架SBD轰炸机和10架F4F战斗机，共117架飞机前去攻击，只留下8架轰炸机和36架战斗机用以自卫。而弗莱彻考虑到侦察机只发现了日军2艘航母，决定保留一半飞机，于8时30分只起飞了12架鱼雷机、17架轰炸机和6架战斗机。美军航母上搭载的战斗机是格鲁曼公司生产的F4F“野猫”，也是战争初期美军唯一能与日军零式勉强对抗的战斗机，一台1200马力气冷活塞发动机，最大时速515千米，升限12000米，武备为六挺12.7毫米机枪。鱼雷机是格鲁曼公司的三座TBD“掠夺者”，一台900马力气冷活塞发动机，最大时速330千米。轰炸机是诺斯罗普公司的双座SBD“无畏”，一台1200马力气冷活塞发动机，最大时速410千米，升限8200米，自卫武器是12.7毫米和7.7毫米机枪各两挺，载弹量545千克。
7时刚过，从中途岛起飞的美军岸基飞机开始攻击日军舰队。首先是菲伯林上尉率领6架TBF“复仇者”鱼雷机对日军“飞龙”号和“赤城”号两艘航空母舰进行攻击，在日军战斗机的拦截下被击落5架，仅1架投下鱼雷，也未击中。紧接着，柯林斯上尉率4架B—26轰炸机对“赤城”号航母进行鱼雷集中攻击，均被航母规避，反被击落2架，返回中途岛的1架鱼雷机和2架轰炸机都受了伤，无法参加以后的战斗。
日军击退美军此次攻击后，在舰队上空警戒的战斗机有一半陆续着舰，补充燃料和弹药。
南云见美军岸基飞机威胁较大，而凌晨派出的侦察机又没发现附近有美军军舰，所以于7时15分下令在甲板上待命的第二攻击波的鱼雷机卸下鱼雷，换上炸弹，准备转用于攻击中途岛的地面目标。
7时30分，从“利根”号起飞的侦察机报告在距离舰队200海里处发现10艘美舰。如果这10艘美舰中有航母的话，出动飞机前来攻击就极为不利了，南云急令侦察机查明美舰舰种。日军实在太不走运，这架侦察机如果不是因弹射器故障而延迟30分钟起飞的话，就可在南云下达换弹命令前发现美舰，这样日军的鱼雷机就可立即起飞，而不是现在的尴尬局面。
7时45分，南云命令暂停卸下鱼雷，根据形势再做决定。
7时55分，美军的岸基飞机又来了。先是亨德森少校率领的16架SBD“无畏”俯冲轰炸机，由于飞行员都是刚从航校毕业的新手，没有俯冲轰炸的经验，亨德森只好组织从600米高度进行下滑攻击，被击落8架，重创6架，投下的炸弹无一命中。随后是斯威尼少校指挥涤上空，在日军战斗机拦截和舰炮射击下，被击落5架，只有4架进行了攻击，也未获战果。
8时零9分，日军侦察机报告美军舰队编成是5艘巡洋舰和5艘驱逐舰，没有航母。南云这才放下心，考虑到美军岸基飞机不断前来攻击，威胁甚大，所以命令继续卸下鱼雷换上炸弹，准备攻击中途岛。
8时20分，日军侦察机紧急报告在美军舰队后面似乎有1艘航母，尽管还是模棱两可的报告，但南云认为这样规模的舰队也应当有航母，马上下令停止换炸弹，重新装上鱼雷。这一连串的换炸弹换鱼雷的命令，使得日军航母的甲板上和机库里非常混乱，卸下的炸弹鱼雷由于时间仓促，都堆放在一边，而未及时放入弹药舱，日军的军械员并未意识到这是在为自己挖掘坟墓。
8时30分，日军攻击中途岛的第一批飞机飞回母舰上空，准备降落。这时南云正处于左右为难的局面，“赤城”号和“加贺”号的攻击机正在进行换弹作业，一时无法起飞，“苍龙”号和“飞龙”号的攻击机还没有开始换弹，可以立即起飞，但所有战斗机都因为刚才抗击美军岸基飞机的战斗，急需补充燃料和弹药，无法马上出动为攻击机护航。如果先让甲板上的第二波飞机起飞，可能会因没有战斗机掩护而损失惨重。如果先清理甲板让第一波飞机降落，又可能会失去战机。参谋长草鹿龙之介少将和作战参谋源田实中佐都认为应先清理甲板，让第一波飞机降落，再组织第二波攻击。“飞龙”号航母上的第二航母战队司令山口多闻少将见南云迟迟没有采取应对措施，便通过“野分”号驱逐舰用灯光信号向南云转发了他的建议：“我认为应立即命令攻击部队起飞！”这一建议应该说是比较积极的，虽然攻击机在没有战斗机护航的情况下会遭到不小损失，但至少要比留在航母听任美军攻击要明智，而一贯被南云倚重的源田此时没有这样建议，主要是在空中的第一攻击波飞行员大多是他的至交好友，他实在不忍心让他们因无法及时着舰而再有什么损失。山口在日本海军中被公认为才干超群，很可能成为山本的继任者，这点也为南云所深深嫉恨，所以南云不愿接受他的建议，于是反而命令将在甲板上的飞机收入机库，腾出甲板让第一波飞机和在舰队上空即将耗尽燃料的巡逻战斗机降落。
8时37分，开始接收飞机着舰。十五分钟后，飞机回收完毕，机库里疲惫不堪的地勤人员放下尚未完成的换弹任务，为这些飞机加油、装弹。
9时18分，执行巡逻任务的战斗机也全部降落完毕，机库里一片忙碌。50架战斗机加油装弹完立即起飞，在舰队上空巡逻警戒。
在回收飞机的作业基本完成后，南云下令沿30度航向以30节航速北进，以尽快占领有利的攻击阵位。南云的初衷无疑是要完成充分的准备，再给予美军沉重一击，但是这样保守的作法，却失去了最有利的战机！就在此时，来自美军航母舰载机的攻击开始了。最先飞抵目标海域的是“大黄蜂”号的35架轰炸机和10架战斗机，却未发现日舰，这是因为美机飞行高度较高，云层影响了观察，加上日舰已向北航行，美机在预定海域没发现日舰，便向西南搜索，与日舰背道而驰，没能找到日舰。后来21架轰炸机返回了母舰，14架轰炸机返回了中途岛，其中4架在着陆时坠毁，10架战斗机则因燃料耗尽都在海上迫降。
与轰炸机群失散的“大黄蜂”号的15架鱼雷机，由第八鱼雷机中队长沃尔德伦少校率领，从低空飞去，于9时20分发现日舰，立即实施攻击。但鱼雷机速度太低，又没有战斗机保护，在日军50架战斗机的拦截下还未投下鱼雷就全被击落。
9时30分，“企业”号的14架鱼雷机与轰炸机失散，单独飞临日舰上空，分成两组，向“赤城”号两舷实施鱼雷攻击。在日军战斗机的凶猛拦击下，有9架在投下鱼雷前就被击落，余下5架投下的鱼雷无一命中，又被击落1架，返航中又有3架因受伤太重而坠海，最后仅1架返回母舰。
“约克城”号的舰载机虽比其他两艘航母晚起飞一个多小时，但航向偏北，而且又在途中知道了日舰的新位置，迅速更正航线，所以只晚到了几分钟，紧接着“企业”号的鱼雷机发起了攻击。12架鱼雷机在6架战斗机掩护下攻击了“苍龙”号航母，损失10架鱼雷机和5架战斗机，未获任何战果。
从清晨到现在，美军的岸基飞机和舰载机共出动了99架次，损失62架，却毫无收获，但转机终于来临了！“企业”号的第六轰炸机中队和“大黄蜂”号的第八轰炸机中队一样在预定海域没有发现日舰，但领队长机第六轰炸机中队中队长小麦克拉斯少校作出了一个极为重要而又明智的决定：向北搜索！终于在10时找到了日军舰队。这时日军的4艘航母正排成菱形队形向北航行，“飞龙”号在北，“加贺”号在南，“赤城”号在西，“苍龙”号在东。美机从西南方向接近，小麦克拉斯将33架轰炸机分为两组，分别向最近的“赤城”号和“加贺”号进行集中攻击。
在“赤城”号飞行甲板上，所有飞机的发动机都已开始转动，航母也开始转向逆风航行，五分钟之内，全部飞机便可起飞。
五分钟!就在这短暂的五分钟里，战局就将发生大逆转!
此时天空能见度良好，云高3000米，天高云淡，为美机的攻击提供了很好的条件。10时24分，“赤城”号发出开始起飞的命令，飞行长摇动着小白旗，第一架零式开足马力，飞离了飞行甲板。就在这时，瞭望哨高叫：“俯冲轰炸机！”三架美机朝“赤城”号笔直俯冲下来，日舰的部分机关炮开始射击，但已时已晚！美机从容攻击没有遭到截击，是因为日军担负空中警戒的战斗机刚刚因拦截美军鱼雷机而耗尽燃料、弹药，已经全部着舰补给，空中没有一架警戒的战斗机！完全可以这样说，美军俯冲轰炸机的得手是以鱼雷机的巨大牺牲换来的！日军航母根本来不及进行规避，而且是处在最易受攻击的脆弱情况下，——正在逆风航行进行起飞作业，飞行甲板上摆满了装好弹药和加好油准备出击的飞机！
“赤城号”被直接命中两枚450千克炸弹，一枚落在中部升降机后部，另一枚落在飞行甲板左舷后段。正常情况下，两枚炸弹对这艘巨大的航母根本不会造成致命损伤，但是，炸弹迅疾引爆了甲板上满载油弹的飞机，火势迅速蔓延，转瞬之间航母的作战能力便完全丧失了，特别是通讯联系全部中断！南云的指挥中断后，南云的次席指挥官、第八巡洋舰战队司令阿部弘毅海军少将立即接过指挥权。与此同时，第二航母战队司令山口多闻海军少将接替了空中作战的指挥。南云的参谋长草鹿海军少将主张立即将司令部转移到“长良”号巡洋舰，南云实在不忍离开心爱的旗舰，尤其不愿舍弃在从战争开始便和他一起同甘共苦的“赤城”号官兵，青木舰长含着眼泪说：“长官，有我照管军舰，我们大家都恳求您转移到长良号，继续指挥部队。”草鹿又向南云作了离开旗舰的最后请求，南云知道已无法再在“赤城”号上继续指挥了，于是跟青木舰长告别，由西林副官扶着爬上舰桥的窗口，沿着绳子滑到甲板上，参谋长以及其他司令部人员，跟着也离开了烈火熊熊的舰桥。此时已是10时46分。
11时30分，南云及其司令部人员和“赤城”号伤员全都转移到了“长良”号，“赤城”号上的舰员仍在努力控制火势，但是伤亡不断增加，火势也越来越无法控制了。18时，青木舰长决定弃舰，
“岚”号和“野分”号驱逐舰赶来接下全部人员，拯救工作结束后，青木舰长于19时20分从“野分”号驱逐舰致电南云请求批准将“赤城”号炸沉，联合舰队司令山本也收到了这份电报。22时25分，山本命令暂缓处置“赤城”号，青木舰长接到这一指示后，独自返回“赤城”号，把自己绑在锚上决心与舰共存亡。
山本之所以下令暂缓处置“赤城”号，是因为他的部队这时正在向东行进，要开始对美军实施夜袭，所以他认为不必急于采取这个措施。何况他自己也曾担任过“赤城”号舰长，对“赤城”号总有一丝情感。直到6月5日3时50分，山本才最后下达击沉“赤城”号的命令，南云随即将命令转达给第四驱逐舰分队司令有贺幸作海军大佐，有贺随即命令他的四艘驱逐舰，向“赤城”号发射鱼雷，“野分”号驱逐舰舰长古闲孙太郎海军中佐后来痛苦地回忆说，当他向“赤城”号发射新型93式鱼雷时，是多么痛心!这艘航母竟成为他在这次战争中的第一个射击目标！在二十分钟内，四艘驱逐舰都射出了鱼雷。七分钟后，这艘巨大的航空母舰开始下沉，并在水下发生了猛烈爆炸，每艘驱逐舰都感受到剧烈震动。“赤城”号沉没地点是北纬30度30分、西经179度08分。在用鱼雷击沉“赤城”号前，“赤城”号航海长三浦义四郎海军中佐登上航母，敦劝青木舰长放弃与舰共存亡的决心。青木接受他的规劝，两人最后都安全转移到了驱逐舰上。“赤城”号官兵共有263人阵亡。
几乎和“赤城”号同时被击中的“加贺”号就没有能坚持那么久。10时24分，九架美机向它俯冲，各投下一枚炸弹，头三枚炸弹都没有命中，在“加贺”号四周掀起了高大的水柱，但接着的六枚炸弹中有四枚击中了“加贺”号飞行甲板的前段、中段和后段。击中舰首的炸弹正好落在舰桥旁边，炸中了停在那里的一辆小加油车，整个舰桥和四周的甲板区顿时起火，并引发巨大爆炸，舰长冈田次作海军大佐以及在指挥舰桥的所有军官都当场毙命。飞行长天谷孝久海军中佐立即接替了该舰的指挥。到处都是烈火，整个军舰上几乎找不到一处可以躲避的地方，天谷中佐等幸存者，不得不撤到右舷的小船甲板上躲避。在遭到轰炸三个半小时后，航母开始倾斜，
14时10分，损管军官国定美男海军少佐发现三道白色雷迹向“加贺”号疾驰而来！——那是美军“魟鱼”号潜艇所发射的，“魟鱼”号从当天早上起就与日军舰队保持着接触，还遭到过日舰两次深弹攻击。9时许发现日军航母，在接敌过程中被一艘日军驱逐舰发现，并遭到深弹攻击，“魟鱼”号一边下潜躲避攻击，一边从水下接近航母。10时30分在潜望镜深度发现一艘日军冒着浓烟的航母，迅疾向这艘航母接近。14时在2500米距离齐射三条鱼雷！——看来它们是一定会击中“加贺”号的。国定少佐闭上眼睛，一边等待爆炸一边祈祷，两条鱼雷从舰旁驰过，第三条鱼雷击中了“加贺”号，但却没有爆炸。这条鱼雷击中军舰后斜滑出去，断成两截，前段立即沉没，带着气仓的后半段仍在水上漂着。当时有些落海的舰员就抓住漂浮着的那半截鱼雷，用作浮子等待援救。就这样，一件杀人的武器竟成为一个救命器具！保护“加贺”号的“萩风”号和“舞风”号驱逐舰在发生鱼雷攻击前，并未发现美国潜艇，此时才醒悟过来疾驶到潜艇所在的地点，进行深水炸弹攻击，但效果不明，见再没有潜艇的踪迹，两艘驱逐舰便返回继续进行救援工作。这时，火势在“加贺”号上越来越猛，已无法控制。16时40分，天谷下令弃舰，人员转移到在旁等待的“萩风”号和“舞风”号驱逐舰。两小时后，航母火势减弱，天谷又带领损管队返回航母，希望能挽救这艘航母，但没有成功，只好再次撤出。19时25分“加贺”号在两声剧烈爆炸后沉没，地点是北纬30度20分，西经179度17分。“加贺”号舰员死亡800人，几乎占全舰官兵的三分之一。
战史界曾对“魟鱼”号的攻击有过争论，“魟鱼”号艇长在作战报告中声称攻击了“苍龙”号航母，但是第一根据日军第一航空舰队第六号作战报告，“加贺”号是在6月4日14时1O分遭到潜艇攻击，恰好与“魟鱼号”的攻击时间相吻合，而“苍龙”号在这一时间没有遭到潜艇鱼雷攻击的记录；第二掩护“苍龙”号航母的“萩风”号驱逐舰曾有向一艘敌潜艇进行深水炸弹攻击的记录，这也与“魟鱼”号遭到日军驱逐舰攻击相符；第三现有日军作战记录中既没有“加贺”遭到鱼雷攻击时的位置记录，也没有此时“苍龙”号的位置记录，而“魟鱼号”作战报告中所记录的攻击阵位北纬30度13分，西经179度17分，与“加贺”号的沉没地点北纬30度20分，西经179度17分非常接近，特别是“加贺”号这时已经完全丧失了机动能力，因此可以断定“魟鱼”号攻击的是“加贺”号。之所以会产生这样的争论，主要来自两份材料，一是美军“魟鱼”号艇长的作战报告，二是“苍龙”号的副舰长小原日差海军大佐和“筑摩”号重巡洋舰舰长古村启藏海军少将在战后审讯中的供词，小原声称“苍龙”号6月4日曾遭到潜艇的鱼雷攻击，古村则说6月4日14时许，“筑摩”号对攻击“苍龙”号的美军潜艇实施了攻击。仔细研究一下，“魟鱼”艇长是从潜望镜里断断续续进行的观察，将这两艘外型比较接近的航母搞错，也是很可能的，而且他就把伴随航母的驱逐舰错当成巡洋舰；此外小原1954年接受渊田美津雄的采访时写下了一份与他供词完全不同的书面材料：“在这次作战中，自始至终没有看见过有鱼雷水下攻击。我本人什么也没看到，舰员也没向我作任何报告。”至于古村的证词，对照第一航空舰队第六号作战报告，可以发现古村的说法肯定是错误的，因为作战报告中记载“筑摩”号派出小艇去协助“苍龙”号，是在“苍龙”号遭到俯冲轰炸机攻击后不久，即11时12分，而且“筑摩”号随后就立即北撤，为“飞龙”号航母担任警戒，根本不可能在三个小时以后，即14时许看到“苍龙”号遭到潜艇攻击！因此经过争论，目前战史界基本倾向于“魟鱼”号攻击的是“加贺”号这一论点。
10时35分，十三架俯冲轰炸机朝着“苍龙”号垂直俯冲下来，“苍龙”号在几分钟之内就被三枚炸弹击中，第一枚炸弹命中舰身前部升降机前的飞行甲板，另两枚则炸弹击中了中部升降机，飞行甲板被剧烈的爆炸炸得面目全非，烈火迅速蔓延到油库和弹药库，仅仅五分钟，“苍龙”号就完全被浓烟烈火所笼罩，火海之中不时响起阵阵爆炸，十分钟后，主机停车，轮舵系统失灵，损管系统因破坏严重而无法正常运行，二十分钟后，由于火势太猛，柳本柳作舰长便不得不命令弃舰，幸存者陆续转移到“滨风”号和“矾风”号驱逐舰上，但柳本舰长还留在指挥舰桥上，在“苍龙”号上他是极富威望的，官兵们决定不惜任何代价也要把他救出来。大家推选海军相扑冠军阿部兵曹返回航母去把船长救出来。大家还决定，如果舰长不肯下来，阿部要凭着过人的膂力将船长背到安全的地方来。当阿部爬上“苍龙”号舰桥时，发现柳本舰长握着军刀，一动不动地凝视前方，坚定地拒绝了阿部的请求。
19时13分，“苍龙”号北纬30度38分，西经179度13分海域沉没，和军舰一齐沉没的有柳本舰长以下718人。
当三艘航母中弹起火后，接替南云指挥的第八巡洋舰战队司令阿部弘毅海军少将立即命令第十驱逐舰战队司令木村进海军少将带领“长良”号轻巡洋舰和六艘驱逐舰，护卫着受伤的三艘航母，提供警戒与必要策应，特别是在每艘受伤的航母旁都布置了两艘驱逐舰，以便在必须弃舰时接受转移下来的航母舰员。
11时45分，在部下竭力劝阻下，南云从失去战斗力的“赤城”号转移到“长良”号巡洋舰，继续指挥战斗。——远在珍珠港通过无线电严密关注战局的尼米兹，通过罗彻福特手下那些熟知日舰报务人员指法的监听员，发现以南云呼号发出的电文，发报人不再是“赤城”号那位手重的报务员，而是“长良”号的报务员，立即意识到，“赤城”号至少已遭到重创，南云不得不改换旗舰了。
美军以14架轰炸机的代价一举消灭了3艘日军航母。这一胜利来得颇有几分阴差阳错，按美军的作战条令，应由轰炸机先在高空佯攻，牵制吸引敌军，再由鱼雷机从低空进行主攻，因为鱼雷比炸弹对军舰更具摧毁力。而在实战中，却是鱼雷机先在低空吸引敌战斗机，再由轰炸机在高空进行主攻，一般地说几枚炸弹是炸不沉像航母这样的大型军舰，幸亏日军来不及将换下的炸弹放入弹药舱堆在甲板上，帮了美军的大忙。
日军机动编队仅存的“飞龙”号航母，是第二航空战队司令山口多闻少将的旗舰。山口多闻是日本海军将领中的佼佼者，他以全班第二名的优异成绩从海军军官学校毕业，还曾留学美国普林斯顿大学，历任驻美海军武官、联合舰队首席参谋、海军大学教官、军令部课长、战列舰舰长等职。1939年，根据山本的建议，山口被调往中国汉口，任日本海军航空部队司令，参加侵华战争；1940年，山口回国，出任第二航母战队司令官。在多年的海军生涯中以勇敢且富有远见，头脑清晰而又能当机立断而著称，堪称日本海军最有才干的将领之一，曾被普遍公认为是最有可能继山本海军大将之后出任联合舰队司令。——此刻面对这样极其严峻的局面，山口竭力组织反击，10点40分，由18架俯冲轰炸机和6架战斗机组成的攻击机群，在“飞龙”号飞行分队长小林道雄海军大尉带领下起飞。在飞往目标途中，他们发现美舰载机正在返航。小林示意他的飞行员悄悄地跟踪敌机。可是，有两架战斗机不明白小林的示意，一头扑向美机，从而暴露了目标，“约克城”号发现来袭的日机，立即起飞战斗机迎战，并让返航的轰炸机暂缓着舰。附近的“企业”号和“大黄蜂”号也闻讯派出战斗机前来助战。美军共出动28架战斗机进行拦截，由于日军战斗机数量太少，难以有效保护轰炸机，在空战中被击落了10架轰炸机和3架战斗机，余下的日机飞临目标上空，其中第一架立即被美舰高射炮火击落，第二架投弹命中了“约克城”号飞行甲板的升降机附近；第三架投弹后被击落，炸弹在舰尾爆炸，引起火灾。还有三架轰炸机也投下炸弹，其中一枚命中了飞行甲板右舷中部，并引起火灾，这架飞机也在投弹后被击落。在这次攻击中，日机一共投中了三枚炸弹。“约克城”号由于锅炉气压下降，丧失了航行能力，但凭借着得力的损管，飞行甲板被炸开的大洞，仅用三十分钟就被修好。13时20分，“约克城”号动力恢复，并达到了二十节航速，舰上的火灾也被很快扑灭。但是飞机还不能在飞行甲板上降落，它们只好飞到“企业”号上降落。
在刚发现美军舰队后，南云就命令“苍龙”号派出新式高速侦察机与美军舰队保持接触，查明敌兵力。这架飞机起飞后一直没有发回报告，现在返回时发现“苍龙”号中弹起火，无法降落，因此在“飞龙”号甲板上降落。飞行员向山口报告说：“发报机发生了故障，无法及时报告，我只好返航回来报告，敌部队中有‘企业号’、‘大黄蜂号’和‘约克城号’三艘航母!”虽然从美军进攻所使用的飞机数量已经说明，美军舰队绝不会是如前所报的只有一艘航母，但这个消息还是令人感到十分震惊。现在，“飞龙”号要单独面对着三艘美军一流的航母，其中只有一艘受了轻伤。
山口决定使用现有的全部飞机发动第二次攻击，他命令“飞龙”号飞行队长友永丈市海军大尉带领仅有的10架鱼雷机(包括“赤城”号的1架鱼雷机)和6架战斗机(包括“加贺”号的2架战斗机)。友永的飞机左机翼油箱在空袭中途岛时受损，还没来得及修理。但他毫不在意，坚持起飞。
12时45分，第二攻击波飞机起飞。
14时26分，日机发现“约克城”号，两分钟后“约克城”号雷达也发现来袭日机，立即起飞了12架战斗机迎战，友永命令战斗机上前迎战，以掩护鱼雷机攻击，自己率鱼雷机迅速下降到100米低空，并分散从不同方向接近，在“约克城”号及其警戒舰只异常猛烈的高射炮火下，日机有4架鱼雷机和3架战斗机被击落，但仍有4架鱼雷机突破美舰防空火力投下鱼雷，其中两条鱼雷命中，将刚刚修好的“约克城”号又击成重伤，该舰丧失全部动力、照明、通讯，并向左剧烈倾斜。弗莱彻被迫转移到“阿斯托里亚”号巡洋舰，他考虑到只有在航母上才能根据飞行员的报告及时掌握战况，也只有在航母上才能有效实施战役指挥，便将指挥权移交给斯普鲁恩斯。
14时45分，“约克城”号沉没前起飞的1架侦察机发现了“飞龙”号航母，斯普鲁恩斯接到报告后，认为发现的日军航母就是日军的第四艘航母，决心集中最大兵力予以攻击，务求将其消灭！他立即下令从“企业”号起飞25架轰炸机，从“大黄蜂”号起飞16架轰炸机，其中10架原是“约克城”号的，先后向目标海域飞去。
14时50分，“约克城”号横倾近25度，已无法恢复平衡，舰长巴克斯特上校只好下令弃舰。弗莱彻派出几艘驱逐舰前来接走舰员，并命令“休斯”号驱逐舰留在“约克城”号附近，以便在最后时刻将其击沉。
“飞龙”号舰载机对美舰的第二次攻击，也是日军在这场海战中的最后一次攻击，到此结束。参加攻击的飞行员和山口都认为，第一次和第二次已经使两艘美军航母遭到了致命的损伤。实际上，这两次攻击的目标都是“约克城”号。“约克城”号在遭到第一次攻击后被迅速修复，所以被日军第二攻击波当作另外一艘没有受伤的航母了。
当“飞龙”号的第二攻击波最后一架飞机于16时30分在航母上降落时，“飞龙”号只剩下了6架战斗机、5架俯冲轰炸机和5架鱼雷机。山口很清楚，要靠这点兵力在白天组织进攻是难以奏效的，决定等到夜里再发起夜袭。
16时45分，战斗出现了短暂的平静，“飞龙”号利用这个空隙时间开饭了，人们狼吞虎咽地吃着香甜可口的年糕团。即便在这短短的间歇时间里，6架战斗机还要在航母上空保持战斗巡逻，夜袭的准备工作也在紧张进行。为了找到美军航母的具体位置，山口决定派一架高速侦察机进行搜索。
17时3分，侦察机刚要起飞，瞭望哨就大声喊道：“敌俯冲轰炸机!”由于美机是从西南背朝太阳方向飞来的，加上“飞龙”号没有雷达，日军未能及时发现，面对呼啸而下的美机，“飞龙”号高射炮纷纷开火，舰长加来止男大佐急令：“右满舵!”“飞龙”号动作笨拙地向右猛转，避开了投下来的头三枚炸弹。但是，更多的美机俯冲下来，接连有四枚炸弹命中舰桥附近，舰桥上的玻璃窗全被猛烈的爆炸震得粉碎，前部升降机附近的舱面甲板被炸得面目狰狞地朝上翻卷，完全挡住了指挥区的视线。大火在飞行甲板上装好炸弹的飞机间蔓延、爆炸。巨大的黑色烟柱腾空而起，“飞龙”号的航速开始减低下来。
17时20分，“大黄蜂”号的舰载机也赶到了，见“飞龙”号已经燃起冲天大火，便转而攻击其他军舰， “榛名”号战列舰、“利根”号重巡洋舰、
“筑摩”号重巡洋舰先后遭到攻击，但都未被击中。
不久从中途岛起飞的39架B—17轰炸机也飞来助战，“飞龙”号再度中弹，伤势更重。21时23分，“飞龙”号完全丧失航行能力，并因为大量进水，倾斜增加到十五度。第十驱逐舰分队司令阿部俊雄海军大佐的旗舰“风云号”靠在航母旁边，协助灭火，并为艰苦奋战的舰员提供食物和饮水，“夕云号”驱逐舰则在旁警戒。
最后，眼看回天无力，山口通过“风云”号驱逐舰向南云报告，他已下令弃舰。6月5日2时30分，山口对集合在甲板上的大约八百名舰员最后训话：“我身为航母战队司令官，对‘飞龙号’和‘苍龙号’的损失负全部责任。我将与本舰共存亡，我命令你们全体离舰，继续为天皇陛下效忠。”山口的参谋请求跟他一起留在舰上，但被山口坚决拒绝了。他们只好忍痛以水代酒与山口黯然饮别，山口随手把他的黑色战斗帽送给了首席参谋伊藤海军中佐，作为纪念。第十驱逐舰分队司令阿部海军大佐亲自来到“飞龙”号上，再三请求山口和加来舰长离舰，也没有达到目的。
遵照山口的最后指示，阿部海军大佐下令“风云”号和“夕云”号驱逐舰击沉“飞龙”号。5时10分，“风云”号和“夕云”号向“飞龙”号发射了鱼雷，在一阵震耳欲聋的爆炸声后，“飞龙”号缓缓下沉。但一小时二十分钟后，受山本指派寻找南云机动编队的“凤翔”号轻型航母的一架侦察机发现，“飞龙”号仍然漂浮在水上，并发现甲板上还有人活动，山本将这一消息转发南云，命令他立即核实，并尽一切努力援救幸存者。南云随即派“谷风”号驱逐舰和“长良”号的水上飞机寻找“飞龙”号，但没有任何发现。“谷风”号在进行搜索的时候，遭到了美军舰载机的多批猛烈轰炸，第一批4架俯冲轰炸机于16时36分来袭；18时许第二批26架；18时45分第三批6架。但这艘驱逐舰只受到一颗近失弹的轻微损伤。由于“谷风”号吸引了美机，使附近的日军舰只没有被美军舰载机发现。因此，四艘沉没的航母上的幸存人员从救援的驱逐舰上转移的工作未受到干扰。随后驱逐舰将救起的航母人员转移到“陆奥”号、“长门”号、“榛名”号和“雾岛”号战列舰。海上风急浪高，使这一工作困难重重，汹涌的波浪使驱逐舰无法靠拢战列舰，最后只好停航，放下小艇来往输送。转移工作一直进行到深夜，各战列舰的病舱和卧舱都挤满了伤员，大部分伤员都是烧伤。
而实际上“飞龙”号一直到8时20分左右才沉没在北纬31度38分，西经178度51分海域，飞机所发现的甲板上的人员是机舱人员，驱逐舰发射的鱼雷恰好把下面甲板炸开一条出路，奇迹般地使这些人从船的底部逃了出来。“飞龙”号沉没后，他们漂浮在水上，后被一艘美国军舰救起。“飞龙”号共有416名舰员丧生。
山口死后，他的同学、联合舰队参谋长宇垣缠中将在6月6日的日记里写道：“山口确是一位有远见的人，他能体谅别人，为人忠厚，行动果断。他能向上司很有力地提出的积极建议，对作战的胜利贡献很大；在这方面他比其他司令官更为突出，由此而赢得了一个高尚的地位。”当山口的死讯传到北方编队时，第二机动部队司令角田觉治海军少将也对山口褒扬倍加，他向他的航空参谋奥宫正武海军少佐吐露：“山口海军少将要是担任机动编队司令长官多好!我情愿在他手下工作。”
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