30 мая разведка американцев на дальность 700 миль вокруг Мидуэя базирующимися там «Каталинами» активизировалась. Были подключены и В-17 с бомбами на борту. На рассвете 3 июня одна из «каталин», находившаяся на предельной дальности, радировала об обнаружении «главных сил». На самом деле, это было соединение Кондо — верные своей тактике, японцы разделились, и включавшее много транспортов, а потому менее быстроходное соединение шло впереди ударных сил, чтобы подойти к цели вместе с ними. Уверенный в своих разведчиках, Нимиц сразу предупредил: «Это — не ударные силы…». Но внимание им все же было уделено. Экипажи В-17 доложили о двух попаданиях в линкоры. На самом деле, попаданий не было. В ходе всего сражения за Мидуэй В-17 добивались точно таких же результатов — в донесениях менялись классы кораблей и число попаданий, но эффект от них был только психологический. Ночью к транспортам подобрались три «каталины» и повредили один торпедой. В предрассветных сумерках 4 июня «Кидо Бутай» отправило 108 самолетов для удара по Мидуэю. Столько же оставалось в готовности для удара по кораблям противника, для обнаружения которых вылетели гидросамолеты с линкоров и крейсеров.
Разведывательные «каталины» вначале обнаружили «дьявольски много самолетов, идущих на Мидуэй», а через десять минут — и японские авианосцы. Всем самолетам на Мидуэе был отдан приказ на боевой вылет. Первыми противника встретили истребители F2A «Баффало» и F4F «Уайлдкэт». Уступавшие японцам в боевой выучке летчики на устаревших машинах не смогли сорвать бомбардировку и были в большинстве своем уничтожены. Бомбоштурмовой удар японцев нанес ущерб, но атакующие поняли, что их ждали: аэродром противника был пуст. Ведущий первой волны радировал: «Нужна повторная атака». Тем временем нападению подверглось и само «Кидо Бутай»: начиная с 7.10 на него непрерывно заходили самолеты с Мидуэя. Неся огромные потери, они не добились ни одного попадания в корабли. Чтобы задействовать в ударе по острову самолеты второй волны, Нагумо необходимо было удостовериться в отсутствии угрозы его соединению от американских кораблей. От гидросамолетов донесений о противнике не поступало до 7.28, когда один из них радировал о «пяти крейсерах и пяти эсминцах» на северо-востоке. Такие силы не представляли опасности: днем у них не было шансов подойти к «Кидо Бутай» на дистанцию артиллерийского выстрела, и Нагумо приказал перевооружить самолеты второй волны для удара по наземным целям. Однако через час, когда эта работа завершалась, тот же пилот сообщил об обнаружении авианосца и еще двух крейсеров.
Авианосец представлял серьезную угрозу, и Нагумо приказал вновь перевооружить самолеты для удара по кораблям. Но тут начали возвращаться самолеты первой волны. Горючего у них оставалось мало, и, чтобы не потерять половину ударной авиации, их следовало немедленно посадить. В 9.18 все они сели. На палубы стали поднимать самолеты второй волны. К этому времени атаки базовой авиации с Мидуэя выдохлись, и в сражение вступили самолеты с американских авианосцев. Череда навигационных ошибок привела к тому, что эскадрильи шли порознь, и первыми вступили в бой торпедоносцы. Они также не добились ни единого попадания, а потери их были ужасны. Но, поскольку торпедоносцы шли на малых высотах, вниз устремились и истребители прикрытия «Кидо Бутай». Пикирующие же бомбардировщики американцев действовали без помех. В результате по 2–4 бомбы попали в забитые вооруженными самолетами палубы трех японских авианосцев. Это был страшный удар, но еще не конец боя. Самолеты неповрежденного «Хирю» попали тремя бомбами в «Йорктаун». Экипаж оставил корабль. Вскоре выяснилось, что торопиться с этим не следовало: пожары поутихли, крен выровнялся, а вернувшимся аварийным партиям удалось дать кораблю ход в 15 узлов. Тем временем на «Хирю» сел самолет, чей экипаж, наконец, сообщил командованию: «Кидо Бутай» противостоят не один, а три авианосца. Уже немногочисленные самолеты с предельно измотанными экипажами поднялись вновь и добились попаданий двух торпед — опять же в «Йорктаун». На «Хирю» стали готовить последние восемь самолетов к удару по «Энтерпрайзу», но две эскадрильи американских пикирующих бомбардировщиков положили конец этой лихорадочной деятельности. Не спасся и «Йорктаун»: окончательно потерявший ход корабль добила сутками позже японская подводная лодка 1-168.