日本偷袭珍珠港虽然获得了重大胜利，但美国的航空母舰当时不在港内，所以一艘也没有受到损失。日本决定再集中优势兵力，彻底歼灭美国航空母舰。
要实现这一计划，首先就要拿下位于夏威夷群岛东北方的美国重要的航空基地中途岛，把它作为日军的作战基地。进攻中途岛的日本海军，仍由策划指挥偷袭珍珠港的山本五十六海军大将率领。舰队分为八支特遣队：第一支由南云中将指挥，从西北方向主攻中途岛；第二支至第七支分别担任掩护、侦察、警戒等任务，并协同进攻作战。山本五十六自己率领第八特遣队，守候在中途岛西北海面上，指挥整个作战。
日本海军做梦也没想到，他们的这次偷袭行动不会成功了！美国情报机关不仅破译出了日军的密码电报，而且设计弄清了密码电报中“A?E”这个目标就是指中途岛。美国决定将计就计，设下埋伏，让日本海军自投罗网。
6月4日，在黎明的晨曦中，隐蔽在预定海域的日本舰队，开始进攻了。
“战斗机起飞！”南云中将的命令从扩音器的喇叭中传出。“赤诚”、“加贺”、“飞龙”和“苍龙”四艘巨型航空母舰上灯火通明，15分钟内，108架飞机飞离了甲板，轰鸣着向东南方向的中途岛飞去。
不一会，扩音器又发出了命令：“第二次攻击准备！”升降机立刻又把一架飞机提到了甲板上。南云站在指挥舱窗前，急切地等待着第一批飞机攻击胜利的消息。
与此同时，中途岛的美国空军早已严阵以待。当日机距离中途岛还有30英里时，25架“野猫式”战斗机组成的拦截队出现在日本机群前。日本护航的“零式”战斗机随即上前缠住“野猫式”，双方展开了激战，日本轰炸机则继续飞赴中途岛。穿过美军高射炮的猛烈火网，一颗颗250公斤重的炸弹从日机上投下。12架水平轰炸机开始用800公斤重的炸弹，轰炸机场和跑道。然而，机场和跑道上空空如也，美军飞机早已作好准备，有的飞到空中，有的进行拦截和攻击，其他的则隐藏了起来。
负责指挥轰炸的指挥官返航时，向南云报告了轰炸的情况，并请求对中途岛进行第二次轰炸。此时，升到甲板上的第二批飞机，已装好鱼雷，准备前去轰炸美军军舰，南云命令士兵卸下鱼雷，换上炸弹。甲板上顿时一片忙乱。
就在此刻，日本侦察机报告：东北200英里处发现10艘美国军舰。南云大吃一惊，他知道，这么大的舰队，至少拥有一艘航空母舰。他赶忙又下令，战斗机重又卸下炸弹，装上鱼雷，改去袭击美军舰队。
恰巧这时，第一批轰炸中途岛的飞机归来。南云只得又命令把飞行甲板腾出，让返航飞机降落。
时间一分一秒的过去，装好鱼雷的飞机很快整装待发，信号兵发出了起飞命令的信号。然而，正是这很短的一段时间的耽搁，战场形势发生了根本性的转变！
“美国轰炸机！”
随着了望兵的喊声，3架美国“无畏式”轰炸机朝南云所在的旗舰“赤城”号垂直俯冲下来。日舰上的机关炮向轰炸机猛烈射击，但是已经晚了。只见，一颗颗黑色的炸弹从美机机翼下落下。一阵尖厉的啸声后，“赤城”号闪起夺目的闪光，随即便是巨大的爆炸声。机关炮哑了。弹片到处飞舞，大火在甲板上蔓延，又引起飞机上刚刚装上的鱼雷爆炸。整个机库成为一片火海。
南云惊呆了。在万般无奈下，他不得不离开火焰冲天的“赤城号”。
此时的山本五十六正威风凛凛地端坐在“大和”号战舰上，这是当时世界上最大的战舰。南云惨败的消息使山本目瞪口呆。看着烈火蔓延的“赤城”号，山本忍痛发出炸沉它的命令。“野分”号驱逐舰射出强大的新型鱼雷，“赤城”号在猛烈的爆炸声中，葬身海底。这竟是“野分”号在这次海战中的第一个射击目标。
山本终于急红了眼，他知道日本舰队惨败的命运不可避免了，但他还要做垂死的挣扎。他命令所有的舰队向他集中，阴谋诱使美国舰队西移到他的舰队猛烈的炮火射程内。但美国人识破了山本的诡计。
6月4日中午，日本只幸存下“飞龙”号航空母舰。在6架零式战斗机掩护下，“飞龙”号上18架轰炸机重创美国航空母舰“约克顿”号，“约克顿”号慢慢沉没海底。
“飞龙”号成为美国舰队猛烈攻击的目标。虽然它成功地躲过26条鱼雷和大约70颗炸弹，但最后还是被击沉，在一条大火中被日本舰队自己的鱼雷击沉。
5日凌晨，日本舰队听到山本的命令：“取消中途岛行动。”
中途岛战役美军只损失一艘航空母舰、1艘驱逐舰和147架飞机，而日本却损失了4艘航空母舰、1艘巡洋舰、330架飞机，还有几百名经验丰富的飞行员和几千名舰员。
日本海军从此走向了失败。为了掩护自己的惨败，避免挫伤部队的士气，6月10日日本电台播放了响亮的海军曲，并宣称日本已“成为太平洋上的最强国。”当惨败的舰队疲惫不堪地回到驻地时，东京竟举行灯笼游行以庆祝胜利。
美国海军首脑事后评价道：“中途岛战斗是日本海军350年以来的第一次决定性的败仗。它结束了日本的长期攻势，恢复了太平洋海军力量的均势”。