就在南云犹豫不决之际，美军的反击已经开始。中途岛的陆基飞机和航母舰载机相继升空，分批对日军机动舰队发起攻击。由于美军飞行员缺乏协同作战经验，初期的攻击效果并不理想，多波次攻击均被日军的战斗机和防空火力击退，损失惨重。
但这些攻击打乱了南云舰队的作战节奏，迫使他不断调整舰载机的挂载方案 —— 先是准备对中途岛发起第二波攻击，挂载高爆炸弹；
随后又接到美军舰队可能存在航母的情报，急忙下令更换鱼雷，准备攻击美军舰队。频繁的挂载更换导致日军航母甲板上堆满了弹药和燃油，秩序混乱，为后续的覆灭埋下了致命隐患。
上午 10 时左右，决定性的时刻到来。美军 “企业” 号航母的 33 架 “无畏” 式俯冲轰炸机在中队长麦克拉斯基的带领下，成功突破日军的防空警戒，出现在日军 “赤城” 号和 “加贺” 号航母上空。
此时的日军航母正处于最脆弱的状态，甲板上挤满了待飞的舰载机和卸下的弹药，几乎没有防御能力。美军轰炸机投下的炸弹精准命中目标，“加贺” 号航母被多枚炸弹击中，甲板瞬间燃起大火，引爆了甲板下的弹药库，短短十几分钟内便失去战斗力，最终于当日下午沉没。
“赤城” 号航母也被一枚炸弹击中，大火迅速蔓延，尽管船员奋力扑救，但火势无法控制，山本五十六被迫下令将其击沉。
与此同时，“约克城” 号航母的 17 架俯冲轰炸机也发现了日军 “苍龙” 号航母，随即发起攻击。3 枚炸弹准确命中 “苍龙” 号，引发连环爆炸，大火和浓烟吞噬了航母，仅仅 20 分钟后，“苍龙” 号便完全丧失战斗力，于傍晚时分沉没。短短几分钟内，日军机动舰队的 3 艘核心航母被美军一举摧毁，战局彻底逆转。
6 月 4 日下午，日军仅剩的 “飞龙” 号航母发起了疯狂的反扑。其舰载机分两波对美军 “约克城” 号航母发起攻击，“约克城” 号被两枚鱼雷和多枚炸弹击中，舰体严重受损，失去动力，最终于 6 月 7 日被日军潜艇击沉。但 “飞龙” 号的反击也暴露了自己的位置，美军 “企业” 号航母随即派出轰炸机群对其展开围攻。“飞龙” 号被 4 枚炸弹击中，燃起熊熊大火，于 6 月 5 日凌晨沉没。
6 月 5 日，山本五十六得知机动舰队 4 艘航母全部覆灭的消息后，深知败局已定，无奈之下下令取消中途岛作战计划，率领联合舰队残余兵力撤退。
美军则乘胜追击，击沉日军重巡洋舰 “三隈” 号，击伤多艘其他舰船。6 月 7 日，美军彻底肃清了战场，中途岛海战正式结束。
在这场战役中，日军损失惨重，共计被击沉 4 艘航空母舰、1 艘重巡洋舰，损失舰载机 332 架，阵亡官兵约 3500 人，其中包括大量经验丰富的飞行员和水兵。而美军仅损失 1 艘航空母舰、1 艘驱逐舰，舰载机 147 架，阵亡官兵约 307 人。
中途岛海战的胜利，不仅守住了中途岛这一战略要地，更沉重打击了日本海军的有生力量，使其丧失了在太平洋战场上的战略主动权。
历史上的中途岛海战成为太平洋战争的重要转折点。在此之前，日本在太平洋战场处于战略进攻态势，而此战之后，日本被迫转入战略防御，美国则开始掌握战场主动权，逐步展开反攻。
此外，这场战役充分展现了情报战的重要性，美军凭借密码破译获得的情报优势，成功弥补了兵力上的不足，为战役胜利奠定了基础。同时，航母及舰载机在海战中的核心作用得到了充分体现，标志着海战模式从传统的战列舰对决进入了航母主导的时代。
老将把收到的电报递给林毅后，林毅看了起来。日本联合舰队跟历史上出动的兵力差不多，包括 9 艘航空母舰、10 艘战列舰、28 艘巡洋舰、68 艘驱逐舰、33 艘潜艇以及约 200 艘运输船在内的庞大兵力，搭载了超过 800 架舰载机。
战术方面山本五十六依然是将舰队分为主力舰队、机动舰队、中途岛攻击舰队和北方牵制舰队等多个战术群。
美国方面尼米兹上将集中了新“约克城号“、“新企业号“、“新大黄蜂号“、“突击者号“ 四艘重型航空母舰，9 艘刚刚改装完成的独立级轻型航空母舰；
战列舰方面除了从珍珠港打捞并修复的宾夕法尼亚号、田纳西号、马里兰号、内华达号外，还有从大西洋舰队抽调的北卡罗来纳级战列舰的北卡罗来纳号与华盛顿号，“新墨西哥” 级战列舰 “新墨西哥号”“密西西比号” 和 “爱达荷号”，“纽约” 级战列舰的 “纽约号” 和 “得克萨斯号”，“怀俄明” 级战列舰的 “怀俄明号” 和 “阿肯色号”；此外还有 17 艘巡洋舰、45 艘驱逐舰和 21 艘潜艇，舰载机数量约 860 架，综合实力跟美国人差不多。
这次日本的潜艇编队提前在珍珠港附近海域密切监视美国的太平洋舰队。跟历史上不一样的是，美国人还是先发现了日本联合舰队承担主要空袭与制空任务的第一机动舰队，并且对第一机动舰队发动一次次攻击，但是美国太平洋舰队也被日本联合舰队的侦察机发现。
机动编队的指挥官南云忠一向联合舰队司令官山本五十六汇报后，日本联合舰队位于离珍珠港不远的潜艇编队和第一机动舰队的航母编队起飞的战机对美国太平洋舰队主力发动攻击，山本五十六指挥的主力舰队也随后赶来增援。
在攻击中日本联合舰队的潜艇发挥了重要作用，突破外围防御后发射的大量零式鱼雷很多都准确命中美国太平洋舰队主力舰。
航母起飞的战机趁着美国太平洋舰队忙于反潜和救援之际再次发动袭击，四艘航空母舰第一时间就被日本战机击沉，轻型航空母舰编队、战列舰编队也遭受到重创，又遭到山本五十六指挥的日本联合舰队主力编队的战列舰轰击。