Подняв перископ, командир подводной лодки увидел себя в самом центре японского соединения. Он выпустил две торпеды, вызвав замешательство среди эсминцев противника, начавших преследование лодки глубинными бомбами. Суматоха еще не прекратилась, когда Нагумо пришлось принять самолеты, вернувшиеся после атаки Мидуэя. Когда в 09.18 был принят на борт последний самолет, Нагумо взял курс на север, чтобы перестроить свои силы, убрать с верхней палубы поврежденные самолеты и заменить их исправными для последующей атаки американских кораблей. Но было уже поздно: над ним появились американские самолеты.
Самолеты с авианосцев "Хорнет" и "Энтерпрайз" подошли к цели четырьмя группами, а самолеты с "Йорктауна" образовали пятую группу. Однако совместный удар этих групп явился случайностью. Истребители с "Энтерпрайза", которые должны были охранять свои самолеты, по ошибке взяли под охрану группу с авианосца "Хорнет". Поднявшись на высоту 6000 м, эти истребители появились над японскими кораблями в тот момент, когда торпедоносцы с "Хорнета" и "Энтерпрайза" уже начали свои неудачные атаки. Не получив от бомбардировщиков и торпедоносцев никакого сигнала о помощи, как было предусмотрено, они покружились над японскими кораблями, пока позволяло горючее, и вернулись на свои авианосцы, так и не вступив в бой с противником.
Ошибка в донесении самолетов-разведчиков еще больше возросла в результате поворота адмирала Нагумо на север, поэтому японское оперативное соединение оказалось совсем не там, где его рассчитывали встретить американские летчики. Пикирующие бомбардировщики с авианосца "Хорнет", летевшие на большой высоте, не обнаружили японцев там, где ожидали, и продолжали полет в юго-западном направлении. Однако другая группа самолетов, летевших ниже облаков, в 09.20 обнаружила авианосцы противника и сразу же пошла на сближение с ними. Японские истребители, только что отразившие налет авиации с Мидуэя и еще не успевшие набрать высоты, встретили американские торпедоносцы и легко расправились с этими тихоходными и неуклюжими машинами. Все 15 были сбиты далеко от цели; они даже не успели сбросить свои торпеды. В живых остался только один летчик, который сумел продержаться до наступления темноты в плавающем сиденье от самолета. Пикирующие бомбардировщики с "Хорнета" продолжали лететь на юго-запад, пока позволяло горючее. Затем 21 из них вернулся на авианосец, а 14 взяли курс на Мидуэй, и там три машины разбились при посадке. Все сопровождавшие их истребители, имевшие недостаточный радиус действия, вынуждены были сесть прямо на воду, когда у них кончилось горючее.
Эскадрилья торпедоносцев с "Энтерпрайза" вышла на объект атаки на 10-15 минут позднее, чем торпедоносцы с "Хорнета". Эти самолеты также шли без прикрытия истребителей, и поэтому результат был почти такой же. Разбившись на две группы, чтобы атаковать японские авианосцы с носа и с кормы, они не добились успеха. Японские авианосцы отвернули и привели американские самолеты за корму, чтобы оттянуть время. Японским истребителям удалось в это время сбить 10 самолетов. Попаданий опять не было. Но жертвы торпедоносцев не пропали даром. Атаки американских торпедоносцев заставили японских истребителей снизиться и ослабить наблюдение за высоко летящими самолетами.
Пикирующие бомбардировщики с "Энтерпрайза", как и самолеты с "Хорнета", не обнаружили противника там, где ждали, но командир этой группы самолетов принял решение взять курс на север, чтобы осмотреть более широкий район. Около 10.00 он заметил блуждавший здесь японский эсминец, а вскоре обнаружил и все оперативное соединение японцев. Четыре японских авианосца шли в ромбическом ордере с авианосцем "Хирю" впереди. Командир группы решил разделиться и атаковать два авианосца, шедших последними в строю. Ими оказались "Акаги" и "Kaгa". Как и предвидел Спрюэнс, их палубы были заполнены самолетами, которые только что закончили прием горючего и боеприпасов и готовились к взлету. Ни одного японского истребителя поблизости не было, и американские самолеты спокойно начали пикирование. Несколько бомб попало в цель. На обоих авианосцах вспыхнул пожар. Немного восточнее этих авианосцев загорелся авианосец "Сорю", атакованный самолетами с "Йорктауна".