За 15 минут до того как японские авианосцы начали поднимать самолеты, с Мидуэя вылетела группа утренней разведки из 11 летающих лодок PBY. В 5.45 одна из «Каталин» установила контакт, который адмирал Нимиц назвал «самым важным контактом за время боя». Пилот этого самолета в 150 милях от Мидуэя заметил японскую ударную авиагруппу. (Некоторые источники указывают время 5.25, однако 5.45 выглядит более вероятным.) В 5.52 пилот другой «Каталины» сообщил, что видит 2 японских авианосца и еще несколько кораблей в 180 милях к северо-западу от Мидуэя, то есть почти в 200 милях на запад от американских авианосцев.
В 5.53 радар на Мидуэе обнаружил приближающиеся японские самолеты в 93 милях к северо-западу от острова. На время атаки бомбардировщики и «Каталины» были подняты в воздух, чтобы очистить аэродром, а 20 F2A «Буффало» и 6 F4F «Уайлдкэтов» морской пехоты бросились на японцев. Схватка произошла в 30 милях от атолла. И F2A-3, и F4F-3 уступали «Зеро», который в то время был лучшим истребителем на Тихом океане. 15 истребителей морской пехоты были сбиты, а еще 7 получили тяжелые повреждения. Американцы сумели сбить только 2 «Зеро». Все японские бомбардировщики дошли до цели и в 6.30 начали бомбить Мидуэй.
Японские бомбы разрушили командный пункт морской пехоты, офицерскую столовую, топливные цистерны, ангар гидросамолетов, подожгли госпиталь и несколько казарм, серьезно повредили электростанцию. В 7.00 последний японский самолет улетел прочь. Всего в ходе атаки японцы потеряли 4 «Кейта», 1 «Вэл» и 2 «Зеро». Зенитный огонь американцев был сильным, и капитан-лейтенант Томонага передал на авианосец: «Требуется атака второй волны». Это не внушающее оптимизма сообщение расходилось с радиограммой одного из подчиненных Томонага: «Бомбили Сэнд Айленд и добились больших результатов».
Когда адмирал Нимиц в Пирл-Харборе получил сообщение, что японцы бомбят Мидуэй, он приказал базирующимся на острове самолетам немедленно атаковать японские авианосцы. 6 новых торпедоносцев TBF «Авенджер» и 4 армейских бомбардировщика В-26, кружившие возле Мидуэя, полетели к японским авианосцам. Каждый самолет был вооружен торпедой.
Эти 10 самолетов заметили вражеские авианосцы в 7.10, однако японцы увидели их еще раньше. Истребители «Зеро» бросились в атаку, а зенитные орудия открыли бешеный огонь. Несколько торпедоносцев были сбиты раньше, чем успели сбросить торпеды. Японские авианосцы легко уклонились от всех торпед, а одна даже была взорвана в воде пулеметной очередью. Один В-26, поврежденный зенитным огнем, скользнул по полетной палубе «Акаги», чуть было не врезавшись в командирский мостик, и рухнул в море. Остальные самолеты были буквально разорваны на куски вражескими снарядами. На Мидуэй сумели вернуться только 1 «Авенджер» с убитым стрелком и раненным радистом и 2 изрешеченных В-26. (Один В-26 на следующий день улетел на Оаху с радостным известием о том, что самолеты ВВС «торпедировали» японский авианосец.)
Пока корабли Нагумо уклонялись от торпед, японский адмирал находился в глубоком раздумье. Сообщение Томонага и атака торпедоносцев убедили его, что требуется второй налет на Мидуэй. После взлета первой волны на палубы авианосцев были подняты еще 108 самолетов: 36 «Кейтов» с торпедами на «Акаги» и «Кага», 36 «Вэлов» на «Сорю» и «Хирю» и 36 истребителей. Эти самолеты стояли в готовности к немедленному взлету, чтобы атаковать американские корабли, как только те будут обнаружены самолетами-разведчиками. В 7.15 адмирал Нагумо приказал перевооружить торпедоносцы на «Акаги» и «Кага» бомбами для повторной атаки Мидуэя. Это означало долгую утомительную работу. А если учесть, что нужно было принимать возвращающиеся самолеты первой волны, то эти 2 авианосца оказывались занятыми на целый час.
Наконец в 7.28 один из самолетов «Тонэ», взлетевших на полчаса позже срока, сообщил: «Вижу 10 кораблей, очевидно, неприятельских. Пеленг 10º, расстояние 240 миль от Мидуэя». Эта точка находились в 200 милях от японских авианосцев. Так адмирал Нагумо впервые узнал о присутствии возле атолла американских кораблей. Однако он еще не знал, есть ли среди них авианосцы. На мостике «Акаги» долго обсуждали ситуацию, и наконец Нагумо распорядился уже вооруженные бомбами «Кейты» обратно перевооружить торпедами и приготовиться к атаке американских кораблей. Он также приказал гидросамолету «Тонэ» поддерживать контакт с американским соединением и выяснить, входят ли в него авианосцы. Авианосец «Сорю» получил приказ поднять один из новых разведчиков D4Y «Джуди», чтобы и дальше сохранить контакт с противником.