面积只有4.7平方千米的中途岛，由于其特殊的地理位置决定了它的战略地位。中途岛处于亚洲和北美之间的太平洋航线的中途，距美国旧金山和日本横滨均为2800海里。这里是美国在中太平洋地区的重要军事基地，也是美军在夏威夷的门户和前哨阵地。中途岛一旦失守，美国太平洋舰队的大本营珍珠港也将不保。
日本的“米号作战”
1941年12月7日日本偷袭珍珠港之后，发动了太平洋战争，三个多月的时间里日本几乎控制了整个西太平洋。山本五十六认识到：要完成袭击珍珠港的未竟事业，必须彻底击毁美国太平洋舰队。因此，山本五十六竭力赞成舰队参谋长宇垣提出的进攻中途岛的计划，认为若能占领中途岛，既可将其作为日本飞机空中巡逻的基地，威逼夏威夷，又可引诱美国太平洋舰队，在决战中将其歼灭。
太平洋战争爆发后，罗斯福任命罗切斯特·尼米兹为太平洋舰队的司令，罗斯福对尼米兹说：“到珍珠港去收拾残局，然后留在那里，直到战争胜利。”尼米兹临危受命，很快组织了有4艘航空母舰及其护航舰的舰队，并且实施了一项惊人的作战计划——轰炸东京。
1942年4月18日，从“大黄蜂”号航母上起飞的16架B25式轰炸机飞临东京，投下炸弹和燃烧弹后直飞中国。这次空袭东京震动了日本朝野，也深深刺激了山本五十六，他更加坚定地要进攻中途岛。4月28日，山本五十六召开海军高级将领会议，确定了进攻中途岛的作战计划：首先派遣一支舰队进攻阿留申群岛，以此为诱饵，将美国舰队吸引到北面去，然后派出主力舰队夺占中途岛。5月5日，日本海军军令部发布了《大本营海军部第18号命令》批准中途岛作战计划，命名为“米号作战”。
山本五十六为了赢得中途岛之战的胜利，动用了整个联合舰队，总计二百多艘舰艇，包括8艘航空母舰、11艘战列舰、23艘巡洋舰、65艘驱逐舰和21艘潜艇，外加600架飞机助战。5月25日，中途岛战役准备就绪，山本五十六和部下齐聚旗舰“大和”号，共祝未来的胜利。山本五十六对击败太平洋舰队信心十足，“几乎所有的人都认为胜利在握”。
尼米兹严阵以待
当时，太平洋舰队司令尼米兹仅有包括3艘航空母舰、8艘巡洋舰和6艘战列舰在内的76艘军舰，双方实力对比美军明显处于劣势。但是美国海军在1942年1月从被击沉的日军潜艇中获得的日军密码本却帮了尼米兹的大忙，使他获悉了日军的计划，尼米兹清楚掌握了日军夺取中途岛的战略企图，甚至掌握了其参战兵力、数量、进攻路线和作战时间。
针对日军的计划，尼米兹决定在中途岛东北海面设伏，寻机从侧翼突击日本舰队。美军参谋人员根据情报中获取的日军进攻路线，推算出美军舰队的最佳待机点——中途岛东北200海里海域，尼米兹将此命名为“幸运点”。同时，他要求中途岛上的美军采取一切措施，加强防务。
5月28日，美国太平洋舰队海军少将斯普鲁恩斯率领“企业”号、“大黄蜂”号航空母舰以及6艘巡洋舰、9艘驱逐舰组成的第16特混舰队先行开赴设伏海域。30日，弗莱彻海军中将率领“约克城”号航空母舰以及2艘巡洋舰、5艘驱逐舰组成的第17特混舰队出航，6月2日，两支舰队在“幸运点”会合。尼米兹给斯普鲁恩斯和弗莱彻的指示是：“运用最有效的战术，给敌人以最大限度的杀伤。”
海战开始
6月3日晨，日军细萱舰队开始空袭荷兰港，企图诱使美军驰援阿留申。但尼米兹根本未予理睬。次日，日军再次空袭荷兰港，美军依然按兵不动。山本五十六声东击西的计划失败。于是，他下令细萱舰队迅速南下，协同主力准备与美军舰队决战。6月4日凌晨3时左右，山本五十六在“大和”号旗舰上向各舰队指挥官发出了“准备战斗”的电令。
这时，日军南云中将率领的航空母舰位于中途岛西北方向240海里的水域上。4时30分，南云下达了攻击的命令。“赤城”、“加贺”、“飞龙”、“苍龙”4艘航母上36架俯冲轰炸机、36架水平轰炸机和36架“零”式战斗机开始起飞，日军对中途岛的第一波攻击开始。第一波飞机刚一起飞，第二攻击波的飞机就已做好准备随时出击，攻击可能出现的美军舰队。
5时45分，美军水上侦察机发现南云舰队。5时55分，中途岛上的美军雷达也发现日军机群，从中途岛起飞的26架美军“野猫”式战斗机和“水牛”式战斗机扑向日军机群，其余的轰炸机和鱼雷攻击机前去进攻日军的航母。空战中，由于美机性能不佳，仅仅15分钟，美军就有15架战斗机被击落、7架被击伤。日轰炸机对东岛机场、桑德岛机库、机场跑道及其他地面设施进行袭击轰炸。7时10分，从中途岛起飞的10架美军鱼雷轰炸机出现在南云舰队的上空。美军飞机直扑日航空母舰。在日军的截杀下，美机无一命中目标。一系列的短暂胜利使南云相信，美军在中途岛的防御力量不强，决定把用于对付美舰的飞机改为对中途岛进行第二次轰炸。7时15分，南云下令将已经装好鱼雷的飞机换装对地攻击的高爆炸弹。
7时30分，南云接到一架侦察机发来的电报：“发现敌10艘军舰，距中途岛240海里。”南云大吃一惊，在命令侦察机继续侦察的同时命令暂停对鱼雷机换弹。8时10分，日军侦察机发来了未发现美军舰队的报告，南云松了口气，下令继续对鱼雷机换装炸弹。几分钟后，日军侦察机又发回了一份语意模糊的电文“敌舰似乎由1艘航空母舰殿后”。南云权衡再三，下令各舰将已换装上炸弹的飞机重新改装鱼雷，命令舰队以30节的航速向北撤离。令下后，日本各航空母舰地勤人员拼命地给鱼雷机卸掉重磅炸弹，重新装上鱼雷，卸下来的炸弹任意堆放在仓库旁。
航母大战
在中途岛东北海面，由斯普鲁恩斯少将和弗莱彻中将率领的两支特混舰队，一直全神贯注地静候猎物的到来。6月4日拂晓，弗莱彻和斯普鲁恩斯接收到了侦察机传来的情报。于是，弗莱彻命令斯普鲁恩斯向南航行，当发现敌方航空母舰时，立即发起攻击。7时06分，第16特混舰队两艘航空母舰上的飞机开始起飞。由于南云舰队转向，美机到预定海域后未见南云舰队踪影。一队由“大黄蜂”号起飞的15架“复仇者”式鱼雷攻击机独自向北搜索，于9时25分发现了南云舰队。在攻击中，15架鱼雷攻击机被日“零”式战斗机和高射炮火击落。紧接着，由“企业”号起飞的14架“复仇者”鱼雷攻击机和由“约克城”号起飞的12架“复仇者”鱼雷攻击机也发现了目标，但在攻击中26架美机均遭重创，损失了20架，而美机所投鱼雷竟无一命中目标。此刻，南云已经做好出击准备，日军舰载机攻击队已排列就绪，整装待发。美国舰队眼看就有灭顶之灾。
就在美军败局将定之时，却出现了戏剧性的变化，从“企业”号上起飞的33架美军“无畏”式俯冲轰炸机，由于燃料不足准备返航时，意外地发现了1艘日军驱逐舰，领队麦克拉斯基少校认为，或许这艘驱逐舰能够帮助他们找到日航空母舰，于是率队紧随日舰而行。大约十分钟后，麦克拉斯基发现了南云舰队。从“约克城”号上起飞的17架“无畏”式俯冲轰炸机也紧随其后。
此时，日舰甲板上到处是鱼雷、炸弹和刚加好油的飞机，而日军战斗机正在低空四处追杀美军鱼雷机。这正是美军难得的有利时机。于是，“企业”号的33架“无畏”式俯冲轰炸机分成两个中队，分别攻击“赤城”号和“加贺”号航空母舰，而“约克城”号的17架俯冲轰炸机则专门攻击“苍龙”号航空母舰。
10时24分，当第1架加油完毕的“零”式战斗机驶离飞行甲板时，一名日军防空哨兵突然惊叫：“俯冲轰炸机！”话音未落，数架美军俯冲轰炸机直扑“加贺”号而来，4颗炸弹分别在飞行甲板上的前中后部炸开，舰长冈田大佐当场被烧死。不久该舰爆裂沉没。
在“加贺”号挨炸后仅1分钟，一颗炸弹落在了“赤城”号舰桥上。紧接着，一枚枚炸弹连锁爆炸。6月5日清晨，“赤城”号被击沉。
10时30分，“约克城”号的17架俯冲轰炸机投下的3枚高爆炸弹分别命中“苍龙号”舰前部飞行甲板和中部升降机，引爆了堆放在甲板上的弹药和油库，到傍晚，“苍龙”号沉没。至此，南云舰队只剩下“飞龙”号航空母舰独撑危局。10点40分，18架“九九”式俯冲轰炸机和6架“零”式战斗机从“飞龙”号上起飞，尾随返航的美军轰炸机，发现了美军“约克城”号航空母舰。随即开始轰炸“约克城”号航空母舰，其中三颗炸弹命中。两天后，严重受伤的“约克城”号被1艘日军潜艇彻底击沉。
14时45分，日军“飞龙”号航空母舰被美军发现，斯普鲁恩斯命令“企业”号上的24架“无畏”式俯冲轰炸机去攻击“飞龙”号。17时整，美军轰炸开始对“飞龙”号发起攻击，四弹命中目标。在美机的轮番轰炸下，“飞龙”号沉没，显赫一时的南云舰队大败而归。
6月5日凌晨2时55分，山本五十六向全舰队发出了承认失败的电文：“撤销中途岛作战计划。”至此，规模空前的中途岛海战宣告结束。
