日本偷襲珍珠港雖然獲得了重大勝利，但美國的航空母艦當時不在港內，所以一艘也沒有受到損失。日本決定再集中優勢兵力，徹底殲滅美國航空母艦。
要實現這一計劃，首先就要拿下位於夏威夷群島東北方的美國重要的航空基地中途島，把它作為日軍的作戰基地。進攻中途島的日本海軍，仍由策劃指揮偷襲珍珠港的山本五十六海軍大將率領。艦隊分為八支特遣隊：第一支由南雲中將指揮，從西北方向主攻中途島；第二支至第七支分別擔任掩護、偵察、警戒等任務，並協同進攻作戰。山本五十六自己率領第八特遣隊，守候在中途島西北海面上，指揮整個作戰。
日本海軍做夢也沒想到，他們的這次偷襲行動不會成功了！美國情報機關不僅破譯出了日軍的密碼電報，而且設計弄清了密碼電報中「AAE」這個目標就是指中途島。美國決定將計就計，設下埋伏，讓日本海軍自投羅網。
６月４日，在黎明的晨曦中，隱蔽在預定海域的日本艦隊，開始進攻了。
「戰鬥機起飛！」南雲中將的命令從擴音器的喇叭中傳出。「赤誠」、「加賀」、「飛龍」和「蒼龍」四艘巨型航空母艦上燈火通明，１５分鐘內，１０８架飛機飛離了甲板，轟鳴著向東南方向的中途島飛去。
不一會，擴音器又發出了命令：「第二次攻擊準備！」升降機立刻又把一架飛機提到了甲板上。南雲站在指揮艙窗前，急切地等待著第一批飛機攻擊勝利的消息。
與此同時，中途島的美國空軍早已嚴陣以待。當日機距離中途島還有３０英里時，２５架「野貓式」戰鬥機組成的攔截隊出現在日本機群前。日本護航的「零式」戰鬥機隨即上前纏住「野貓式」，雙方展開了激戰，日本轟炸機則繼續飛赴中途島。穿過美軍高射炮的猛烈火網，一顆顆２５０公斤重的炸彈從日機上投下。１２架水平轟炸機開始用８００公斤重的炸彈，轟炸機場和跑道。然而，機場和跑道上空空如也，美軍飛機早已作好準備，有的飛到空中，有的進行攔截和攻擊，其他的則隱藏了起來。
負責指揮轟炸的指揮官返航時，向南雲報告了轟炸的情況，並請求對中途島進行第二次轟炸。此時，升到甲板上的第二批飛機，已裝好魚雷，準備前去轟炸美軍軍艦，南雲命令士兵卸下魚雷，換上炸彈。甲板上頓時一片忙亂。
就在此刻，日本偵察機報告：東北２００英里處發現１０艘美國軍艦。南雲大吃一驚，他知道，這麼大的艦隊，至少擁有一艘航空母艦。他趕忙又下令，戰鬥機重又卸下炸彈，裝上魚雷，改去襲擊美軍艦隊。
恰巧這時，第一批轟炸中途島的飛機歸來。南雲只得又命令把飛行甲板騰出，讓返航飛機降落。
時間一分一秒的過去，裝好魚雷的飛機很快整裝待發，信號兵發出了起飛命令的信號。然而，正是這很短的一段時間的耽擱，戰場形勢發生了根本性的轉變！
「美國轟炸機！」
隨著了望兵的喊聲，３架美國「無畏式」轟炸機朝南雲所在的旗艦「赤城」號垂直俯衝下來。日艦上的機關炮向轟炸機猛烈射擊，但是已經晚了。只見，一顆顆黑色的炸彈從美機機翼下落下。一陣尖厲的嘯聲後，「赤城」號閃起奪目的閃光，隨即便是巨大的爆炸聲。機關炮啞了。彈片到處飛舞，大火在甲板上蔓延，又引起飛機上剛剛裝上的魚雷爆炸。整個機庫成為一片火海。
南雲驚呆了。在萬般無奈下，他不得不離開火焰沖天的「赤城號」。
此時的山本五十六正威風凜凜地端坐在「大和」號戰艦上，這是當時世界上最大的戰艦。南雲慘敗的消息使山本目瞪口呆。看著烈火蔓延的「赤城」號，山本忍痛發出炸沉它的命令。「野分」號驅逐艦射出強大的新型魚雷，「赤城」號在猛烈的爆炸聲中，葬身海底。這竟是「野分」號在這次海戰中的第一個射擊目標。
山本終於急紅了眼，他知道日本艦隊慘敗的命運不可避免了，但他還要做垂死的掙扎。他命令所有的艦隊向他集中，陰謀誘使美國艦隊西移到他的艦隊猛烈的炮火射程內。但美國人識破了山本的詭計。
６月４日中午，日本只倖存下「飛龍」號航空母艦。在６架零式戰鬥機掩護下，「飛龍」號上１８架轟炸機重創美國航空母艦「約克頓」號，「約克頓」號慢慢沉沒海底。
「飛龍」號成為美國艦隊猛烈攻擊的目標。雖然它成功地躲過２６條魚雷和大約７０顆炸彈，但最後還是被擊沉，在一條大火中被日本艦隊自己的魚雷擊沉。
５日凌晨，日本艦隊聽到山本的命令：「取消中途島行動。」
中途島戰役美軍只損失一艘航空母艦、１艘驅逐艦和１４７架飛機，而日本卻損失了４艘航空母艦、１艘巡洋艦、３３０架飛機，還有幾百名經驗豐富的飛行員和幾千名艦員。
日本海軍從此走向了失敗。為了掩護自己的慘敗，避免挫傷部隊的士氣，６月１０日日本電台播放了響亮的海軍曲，並宣稱日本已「成為太平洋上的最強國。」當慘敗的艦隊疲憊不堪地回到駐地時，東京竟舉行燈籠遊行以慶祝勝利。
美國海軍首腦事後評價道：「中途島戰鬥是日本海軍３５０年以來的第一次決定性的敗仗。它結束了日本的長期攻勢，恢復了太平洋海軍力量的均勢」。