12架水平轟炸機開始用800公斤重的炸彈轟炸機場和跑道。然而，機場和跑道上空空如野，日軍炸彈只給跑道和供油系統造成一些破壞。島上的119架美國飛機，由於事先得到了情報，都升空迎戰和逃避轟炸。
在第一批飛機離開母艦後，南雲中將又命令第二批飛機升到甲板，裝上魚雷，準備去襲擊美軍軍艦。這時候，第一批轟炸中途島的日機指揮官返航，報告了轟炸的情況，並請求對中途島進行第二次轟炸。
於是，南雲又命令士兵卸下魚雷，換上炸彈。頓時，甲板上一片忙亂。就在此刻，日軍偵察機報告，發現10艘美艦正位於東北200英里處。南雲大吃一驚，趕忙下令戰鬥機重又卸下炸彈，裝上魚雷，改去襲擊美軍艦隊。
恰巧又碰上第一批轟炸中途島的飛機歸來，而第二批飛機又停在甲板上，使它們無處降落。南雲又下令把飛行甲板騰出，讓返航的飛機降落。正是這短短一段時間的耽擱，戰場形勢發生了根本性的轉變。
3架美國“無畏式”轟炸機悄然出現在日本艦隊上空，以飛快地速度朝日本“赤誠號”航空母艦垂直俯衝下來，隨著一陣可怕的尖嘶聲，一顆顆黑色炸彈飛瀉而下，發出震耳欲聾的爆炸聲。“赤城”頓時被炸得彈片紛飛，火焰沖天。南雲在萬般無奈下，不得不離開了一片火海的“赤城號”。
此時的山本五十六正威風凜凜地端坐在“大和”號戰艦上，這是當時世界上最大的戰艦。南雲慘敗的消息使山本目瞪口呆。看著烈火蔓延的“赤城”號，山本發出了將其炸沉的命令。“野分”號驅逐艦射出強大的新型魚雷，“赤城”號在猛烈的爆炸聲中，葬身海底。這竟是“野分”號在這次海戰中的第一個射擊目標。
而後，山本五十六像一個輸紅了眼的賭棍，命令所有的艦隊向他集中，想誘使美國艦隊西移到日軍艦隊的炮火射程內。但是美艦指揮官識破了山本的計劃，沒有上當。
6月4日中午，日軍的航空母艦隻剩下了“飛龍”號。山本五十六知道事情有些不妙，可他還是硬著頭皮要撐到底，命令“飛龍號”立即實施報復性攻擊。“飛龍號”上18架日本俯衝轟炸機在6架零式戰鬥機掩護下，向美國的“約克敦號”航空母艦發起猛攻，結果，雙方無一倖免，全部葬身海底。這樣，日方敗局已定。
5日凌晨，山本痛苦地發出命令：“取消占領中途島的行動！”
日本在中途島海戰中的慘敗，使它喪失了4艘航空母艦、1艘重巡洋艦、234架飛機、幾百名海軍飛行員和2200名水兵。而美軍僅損失了1艘航空母艦、1艘驅逐艦和147架飛機。
中途島海戰是太平洋戰爭的轉折點，從此之後，日本軍閥開始走向下坡路，戰事每況愈下了。
德黑蘭會議