Определенные надежды адмирал Нимиц возлагал на «непотопляемый авианосец Мидуэй». 1 июня на аэродроме острова находились 106 самолетов. ВВС принадлежали 17 четырехмоторных бомбардировщиков В-17 «Летающая Крепость» и 4 двухмоторных бомбардировщика В-26. Морская пехота имела 7 истребителей F4F-3 «Уайлдкэт», 21 истребитель F2A-3 «Буффало», 16 пикировщиков SBD-2 «Доунтлесс» и 17 пикировщиков SB2U-3 «Виндикейтор». «Буффало» и «Виндикейтор» устарели по отношению к другим самолетам. Большая часть пилотов «Уайлдкэтов» и «Доунтлессов» лишь недавно пересели на эти машины и плохо знали их. В результате аварии на Мидуэе был разрушен склад горючего, что помешало проведению тренировок.
Кроме того, на Мидуэе базировались 30 летающих лодок PBY «Каталина» и 6 новейших торпедоносцев TBF «Авенджер», принадлежавших флоту. «Авенджеры» были переданы 8-й торпедоносной эскадрилье «Хорнета», но прибыли в Пирл-Харбор слишком поздно, чтобы попасть на авианосец. Поэтому самолетам предстояло действовать с берегового аэродрома. Самолет TBF-1 имел скорость 271 миля/час, что на 70 миль/час превышало скорость TBD. Новый самолет был лучше вооружен, чем предшественник, и мог нести торпеду или 2000 фунтов бомб на внутренней подвеске против 1000 фунтов на внешней подвеске у TBD.
31 мая, когда Мидуэй уже был готов встретить удар японцев, Оперативное Соединение 16 заправилось с танкеров. Оперативное Соединение 17 провело заправку 1 июня. 2 июня оба соединения встретились в 325 милях к северо-востоку от Мидуэя. Все американские корабли благополучно прошли район завесы японских подводных лодок, развернутой вокруг острова. Субмарины должны были занять свои позиции 2 июня, однако из-за того, что несколько лодок стояли на ремонте, они сделали это лишь 4 июня. Впрочем, даже если бы японцы развернули свои подводные лодки, как и было намечено, американские авианосцы уже прошли опасный район.
Начало боя
Начиная с 30 мая, базовые самолеты с Мидуэя проводили дальний поиск, чтобы обнаружить приближение японской армады. На рассвете взлетали 11 летающих лодок, которые осматривали пространство на расстоянии 700 миль от Мидуэя. После полудня стартовали бомбардировщики В-17 «Летающая Крепость» с бомбами на борту. Кроме того, в утренних сумерках взлетала еще одна лодка PBY, чтобы на рассвете оказаться над наиболее вероятным маршрутом подхода японцев. Именно эта «Каталина» первой заметила японцев утром 3 июня. Как раз в тот момент, когда около 9.00 пилот уже собирался повернуть назад к Мидуэю, он увидел вражеские корабли на расстоянии 700 миль от атолла. Укрываясь в облаках, пилот следил за японцами до 11.00. Он сообщил об 11 кораблях, идущих на восток со скоростью 19 узлов. Это была часть Соединения вторжения.
Около полудня в атаку были отправлены 9 бомбардировщиков В-17 «Летающая Крепость». В 16.24 они сбросили бомбы на группу транспортов в 570 милях от Мидуэя. Хотя вернувшиеся пилоты заявили, что добились попаданий в 2 линкора или тяжелых крейсера (а таких кораблей в атакованном соединении просто не было) и 2 транспорта, японские корабли не пострадали. Затем с Мидуэя вылетели 4 вооруженные торпедами «Каталины». 4 июня в 1.15 они атаковали транспорты. В темноте они сбросили 3 торпеды, из которых одна попала в танкер, шедший позади транспортов. Взрывом были убиты 11 человек и ранены 17, однако танкер лишь ненадолго снизил скорость и вскоре снова занял свое место в строю. Ни один американский самолет не был сбит во время этих атак. Хотя эти атаки оказались неприятным сюрпризом для японских командиров, они не были слишком огорчены тем, что их соединение обнаружено. Японцы просто не верили, что американцы успеют перебросить в район боя достаточно сил, чтобы отразить японское вторжение на Мидуэй.
Теперь в бой вступили японские авианосцы. В предрассветных сумерках 4 июня в 4.30 корабли Нагумо начали поднимать самолеты. Это были 36 «Кейтов» с «Сорю» и «Хирю», вооруженные бомбами, и 36 «Вэлов» с «Акаги» и «Кага». (Один «Кейт» с «Хирю» вернулся из-за неполадок с мотором.) Их сопровождали 36 истребителей (по 9 с каждого авианосца). Капитан-лейтенант Ёити Томонага повел ударную группу, насчитывавшую 108 самолетов ,к Мидуэю, до которого оставалось 240 миль. После этого с «Кага» взлетели 9 истребителей, чтобы патрулировать над соединением. Еще 9 истребителей стояли в готовности на палубе «Акаги».
Нагумо также планировал выслать 7 самолетов на поиск американских кораблей, если те все-таки окажутся где-то неподалеку. Сначала взлетели по 1 «Кейту» с «Акаги» и «Кага» и гидросамолет с линкора «Харуна». Радиус поиска составлял 300 миль, но гидросамолет «Харуна» мог пролететь только половину этого расстояния. Еще 4 самолета-разведчика опоздали со взлетом на полчаса. Неисправности самолетов и катапульт привели к тому, что тяжелые крейсера «Тонэ» и «Тикума» подняли эти самолеты только в 5.00. Затем в 6.35 один из гидросамолетов «Тикума» был вынужден повернуть назад из-за проблем с мотором. Эта задержка с взлетом самолетов-разведчиков оказалась роковой для японцев.