中途島是太平洋上一個面積只有4.7平方公里的小島，特殊的地理位置賦予了它極為重要的戰略地位。之所以如此命名，是因為該島距美國舊金山和日本橫濱均為2800海里，處於亞洲和北美之間的太平洋航線的中途。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。要實現這一計畫，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。
按照聯合艦隊制定的作戰計畫，日本進攻中途島的艦隊分為四支：山本親自率領一支主力艦隊，準備同美國艦隊進行決戰。南雲忠一率領的第一航空母艦艦隊擔任主攻，它有「赤誠」、「加賀」、「飛龍」、「蒼龍」四艘大型航空母艦。另外，每一艘航空母艦上還有36架基地空軍驅逐機，準備在佔領中途島以後布置到島上。另一支入侵艦隊護送12艘運輸艦，載著5800名官兵，準備在中途島登陸。與山本相比，美太平洋艦隊無論在數量和進攻能力上都出於劣勢。值得慶幸的是，由於美海軍在1942年1月從被擊沉的日軍潛艇中打撈到日軍的密碼本，並成功地破譯了日本海軍的「JN25密碼」，使尼米茲能夠獲悉了日軍的行動計畫。
1942年4月和5月期間，在美軍截獲的日軍通訊信號中，有一個「AF」名稱出現的頻率和次數明顯增多。羅奇福特果斷地推斷，「AF」是指中途島。為進一步證實這一推斷的準確性，羅奇福特特意命令駐中途島上的美軍用淺顯的明碼拍發了一份作為誘餌的無線電報，謊稱中途島上的淡水設備發生了故障，供水緊張。果然隨後不久，美軍截獲了另一份日軍密電，電文說AF可能缺少淡水。顯然日本所提到的就是中途島。羅奇福特小組以此為突破口，破譯了反映日軍艦隊作戰計畫的所有通訊，可以說已經是知己知彼。
即便是處心積慮很長時間，山本還是不敢輕敵。6月3日和4日，日本兩次空襲荷蘭港，企圖誘使美軍分散兵力馳援阿留申，但均告失敗。於是，他立即下令細萱艦隊停止進攻阿留申並迅速南下，協同主力準備與美軍艦隊決戰。6月4日凌晨3時左右，山本在離前方艦隊數百海里外的「大和」號旗艦上向各艦隊指揮官發出了「準備戰鬥」的電令。
因為美軍事先有所準備，日軍轟炸機的第一輪攻擊波並未對中途島構成重大打擊。在針對中途島的第二波攻擊快要展開時，日軍偵察機發回來情報說「發現敵軍艦隊似乎由1艘航空母艦墊後」。這給南雲提了一個難題：或者選擇馬上動用第二波飛機發動一次進攻，第一波襲擊中途島的飛機正在返航，因為油料馬上就快用完，無法在空中等待太長時間。另外一個選擇是在發起第二波攻擊之前，回收第一波機群以及正在為艦隊護航的戰鬥機，以便重新裝滿彈藥和油料。這樣將可能發動一次較強的攻勢，但至少需要1個小時的時間，而且這段時間容易成為美軍飛機輕鬆襲擊的大好時機。
也許認為美軍艦隊不會利用時間差來抓住稍縱即逝的戰機，南雲自信地採取了第二種方案。他希望畢其功於一役，而又儘可能減少損失。於是，南雲讓各戰艦將已換裝上炸彈的飛機再次送回機庫重新改裝魚雷，收回中途島歸來的第一波飛機，並命令艦隊以30節的航速向北撤離。
有幾個架次的美軍戰機發現了日本航母的動向。在接到信號後它們馬上起飛，準備轟炸日軍航母，但由於美軍龐大的機群缺乏配合，編隊四分五裂，而且南雲讓艦隊轉向航行，一些美機來到預定海域卻不見敵軍艦隊蹤影。
或許應該感謝命運，從「企業」號上起飛的33架美軍「無畏」式俯衝轟炸機，由於燃料不足，他們正準備返航時，卻突然意外地發現了1艘日軍驅逐艦，於是率隊緊隨日艦而行。10分鐘後，在6000米的高空中，麥克拉斯基他們發現了由4艘航空母艦組成的蔚為壯觀的南雲艦隊。從「約克城」號航空母艦上起飛的17架「無畏」式俯衝轟炸機也緊隨其後。此時的日艦正處於極易受攻擊的境地，甲板上到處是魚雷、炸彈及剛加好油的飛機，而且保護航空母艦的戰鬥機正在低空四處追殺美軍魚雷機。這正是美軍展開攻擊的有利時機。「企業」號的33架「無畏」式俯衝轟炸機，分成2個中隊分別攻擊「赤城」號和「加賀」號航空母艦，而「約克城」號的17架「無畏」式俯衝轟炸機則專門攻擊「蒼龍」號航空母艦。
中途島之戰，美軍共損失1艘航空母艦、1艘驅逐艦、147架飛機和307人。日軍共損失4艘大型航空母艦、1艘重巡洋艦、322架飛機和3500人，另有1艘重巡洋艦和2艘驅逐艦受重創。更重要的是，日本海軍損失了2/3的大型航空母艦以及日軍在太平洋戰爭初期所據有的海空控制權。