A japánok június 4-én érkeztek Midway közelébe és Nagumo parancsára azonnal megkezdték a támadást. Az amerikai radarok azonban észlelték a támaszpont felé tartó bombázóköteléket, illetve a kísérő „Zérókat”, így még időben a levegőbe emelkedhetett a szigeten lévő összes repülőgép. 
A meglepetésszerű támadás terve ezzel semmivé lett, ennek ellenére a japánok leszórták bombaterhüket a kijelölt célpontokra. Bár néhány találat kétségkívül súlyos kárt okozott, az első hullám korántsem érte el a kívánt eredményt, ezért az akciót meg kellett ismételni. Erről értesülve Nagumo utasítást adott a hordozók fedélzetén álló – az amerikai flotta elleni támadáshoz előkészített, ezért torpedókkal felszerelt – repülők átfegyverzésére. A tengernagy döntését az is megkönnyítette, hogy felderítői nem találták az amerikai hajókat. Ám mialatt a torpedók helyére bombák kerültek, az egyik (kutatórepülést végző) hidroplán mégis ráakadt Spruance és Fletcher egységeire. Nyolc óra harminc körül tehát újra leállt az átfegyverzés, ráadásul ekkor tértek vissza Midway irányából az első hullám gépei is. Ugyan a japánok helyzetéről csak hiányos adatok álltak az amerikaiak rendelkezésére, Spruance mégis támadásba küldte a Hornet, a Yorktown és az Enterprise repülőit. Terve az volt, hogy először a lassú torpedóvetők emelkednek magasba, melyeket a gyorsabb zuhanóbombázók és vadászok követnek. A gépek útközben találkoznak, és együtt vetik magukat a császári flottára.
A torpedóvetők azonban a vártnál hamarabb leltek rá az ellenségre és 9 óra 25 perckor támadásba lendültek; a lomha gépek között azonban nagy pusztítást végeztek japán védővadászok. A zuhanóbombázók egy órával később érték el a hordozókat, amelyek épp repülőik indítására készültek. Az Enterprise gépei – gyenge légvédelmi tűz mellett – már az első rárepülés során leszámoltak az Akagival és a Soryuval, míg a Yorktown repülői a Kagát vették célba – eredményesen. A szörnyű veszteségek ellenére nem maradt el az ellentámadás, melyet az egyetlen épen maradt hordozó, a Hiryu zuhanóbombázói indítottak; a gépek délután egykor érték el és súlyosan megrongálták a Yorktownt. Az üresen sodródó, kiégett hajónak végül június 7-én a japán I–168 tengeralattjáró adta meg a kegyelemdöfést, miután több torpedóval elsüllyesztette. Azonban a Yorktown vesztét okozó Hiryu sem kerülhette el sorsát, az amerikai bombázók ugyanis a Midway-nél felvonultatott negyedik japán hordozót is hullámsírba küldték. Június 5-én hajnalban Yamamoto lemondott a szigetcsoport elleni invázió tervéről, egyben utasítást adott a visszavonulásra. A hátráló csapatok megpróbáltatásai azonban ezzel még nem értek véget, hiszen az őket üldöző amerikaiak június 6-án tűz alá vették két nehézcirkálójukat, a Mogamit és a Mikumát, melyek közül az utóbbi végzetes találatot kapott.
A midway-i csatában a japánok több mint 200 repülőt és 4000 embert vesztettek, szemben az amerikaiak 150 gépével, illetve 300 katonájával. Szertefoszlott a császári haditengerészet verhetetlenségéről szőtt legenda is, ám a távol-keleti haderőt ennél súlyosabban érintette az, hogy a háromnapos ütközet veszteségei – különös tekintettel a négy repülőgép-hordozóra – a háború végéig pótolhatatlannak bizonyultak.
