Американские самолеты, вылетевшие с Мидуэя для атаки японских сил вторжения были легко отбиты и не смогли прорваться к группе кораблей, что подало командующему силами вторжения идею нанести еще один удар по Мидуэю так как на море противодействия не обнаружилось. Адмирал Нагумо приказал измученному подготовкой первой волны палубному персоналу перевооружить вторую волну самолетов фугасными и осколочными бомбами для атаки наземных укреплений.
Примерно на середине процесса перевооружения, в 7:28, Нагумо получил сообщение, что обнаружена группа американских кораблей в составе десяти единиц. Об авианосцах ничего сообщено не было. В 7:58 последовало уточнение состава американской группы – пять крейсеров и пять эсминцев. Вскоре после этого авианосцы Нагумо подверглись атаке базовых самолетов с Мидуэя, что еще более замедлило перевооружение второй волны. Базовые самолеты не смогли нанести повреждения японским кораблям, но они вынудили японцев поднять истребители Зеро для их перехвата.
В 8:20 Нагумо получил новое сообщение о том, что «кажется» обнаружен американский авианосец. Для удара по авианосцу японским оружейникам надо было проделать обратный процесс – снять фугасные и осколочные бомбы и подвесить вместо них бронебойные бомбы и торпеды. Удар по авианосцу потребовал бы истребительного прикрытия, а Зеро также нуждались в дозаправке и вооружении после отражения атаки базовых самолетов, меж тем примерно к 8:30 базовые самолеты могли вернуться. Нагумо оказался в сложной ситуации. Он решил отложить атаку авианосца до тех пор, пока не будет отбита атака базовых самолетов, и приказал изменить курс соединения на 90 градусов.
В 7:52 с авианосцев «Энтерпрайз» и «Хорнет» и в 9:00 с «Иорктауна» поднялись самолеты для удара по авианосцам Нагумо. Каждая группа включала в себя пикировщики SBD Даунтлесс, торпедоносцы TBD Девастейтор н истребители F4F Уайлдкэт. Так как Нагумо изменил курс соединения, SBD с «Хорнета» не обнаружили японские авианосцы и вынуждены были вернуться. К 9:30 из восьмидесяти пяти выпущенных на поиск японского авианосного соединения SBD в воздухе находились пятьдесят машин. Между 9:18 и 10:10 три дивизиона Девастейторов нашли и атаковали цель. Без истребительного прикрытия Девастейторы понесли катастрофические потери от огня истребителей Зеро и зенитной артиллерии авианосного соединения – из сорока одного участвовавшего в атаке торпедоносца вернулись на свои корабли только четыре. Нагумо, удовлетворенный результатами боя, продолжал снаряжать вторую волну самолетов для атаки. Подготовка завершилась к 10:25.
Пока японские авианосцы, с палубами, заставленными снаряженными и заправленными самолетами, были заняты добиванием последних TBD, на большой высоте подошли пятьдесят Даунтлессов. Истребители, гоняющиеся за торпедоносцами у воды, не смогли их перехватить и один за одним пикировщики начали сваливаться в почти вертикальное пике. Когда Даунтлессы вышли из пике, «Акаги», «Кага» и «Сорю» превратились в пылающие развалины. Это произошло в 10:26.