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“敌人似乎加强了对中途岛西南方面的巡逻，巡逻距离大概为600海里。”
“看来敌人在实行严格的警戒，大批敌机昼夜24小时在实施防御巡逻……”
最后，“大和”号上的无线电甚至截听到了显然表明美国航空母舰在夏威夷海域的信号，但山本似乎更愿意相信大本营的判断：美国航空母舰还在所罗门群岛附近活动，因而他认为不值得打破无线电静默而使整个行动受到破坏。
此时海面上大雾弥漫，连强烈的探照灯光也难以穿透周围的一片昏暗。各编队在茫茫大雾中向前猛冲，加上舰队保持无线电静默，其情景如同盲人骑瞎马。直到6月3日24时，仍无明显迹象表明日舰队被美方发现，从山本以下直到每一个舰员都自信能够出其不意地对美军进行突袭。
4日，困扰南云舰队的浓雾终于消散。但随着浓雾的消散，由中途岛基地起飞的美侦察机很快即发现了正向中途岛疾进的运输船队。中午时分，9架满载炸弹的美B—17式轰炸机攻击了运输船队。当天下午，在中途岛降落的4架新的海军PBY“卡塔利娜”式水上飞机，又携带鱼雷对日本运输船队进行了第二次袭击。
两次袭击的消息使山本感到吃惊，意识到入侵中途岛的计划可能已经暴露，但这并没有引起他和他的参谋们的过分不安。他们认为这样也好，只有比原计划提前几小时把太平洋舰队的主力引出珍珠港才会更有利于达到消灭美军主力的目的。因此山本五十六并没有把运输船队受到攻击的消息通报给最前线的南云舰队。南云的参谋长草鹿后来说道：直到此时，“我们坚信敌人并未发现我机动部队。”因此盲目自信的南云舰队始终以24海里的高速向中途岛航行。
入夜，天空晴朗，视界开阔，天上只有片片浮云在飘荡，使人很难相信在这之前天气竟是那样的恶劣。
23时30分，南云的旗舰“赤城”号上的一个对空了望哨突然喊道：“发现一架侦察机的灯光，右舷90度，高角70度。在云上向我靠近！”
舰长青木立即下令拉响战斗警报，舰员们各就各位。只见天上星光穿过云隙忽明忽暗地闪烁着，不见敌机踪影。原来了望哨把星星当成了目标。过了一会，青木正要下令解除警报，那了望哨又大声报告；“还是那个方向发现灯光！不是星星！”对空战斗的命令立即发往各舰，结果又是一场虚惊。
23时45分，各舰下达了起床命令。日出时间为2时，即中途岛时间4日5时，目前海上仍然一片昏暗。航空母舰上的飞机已经开始发动，轰鸣声响成一片。马上就要给美国人以沉重打击了。此时此刻，南云非常乐观，信心十足。就在战斗发起之前，他对形势作了非常乐观的估计，认为敌人尚未察觉我方企图，也未发现我机动部队；没有迹象表明以航空母舰为核心的敌强大舰队在我附近，敌舰队大概会在我中途岛进攻作战开始后出来应战。因此，我们能空袭中途岛，歼灭岛上岸基飞机和支援我登陆作战。然后如果敌机动部队出动，我们可转过头来迎击并有可能将其歼灭。
6月5日凌晨1时30分，南云部队到达中途岛西北240海里的水域。还有半个小时太阳就要升起了，只见天空明亮、清晰，有几丝云彩随着吹起的东南信风悠悠飘荡。出击的时刻来到了。
在第1航空母舰舰队的待命室里，南云的飞行员们吃着干栗子，喝着冷酒，这是在为即将参战的勇士们举行传统的欢送会。飞行甲板上一排排准备起飞的飞机机翼上的红、绿色航行灯一起闪亮，航空母舰上的探照灯光把整个飞行甲板照得如同白昼。由于“赤城”号的飞行队长渊因身患疾病，第一攻击波的总指挥由“飞龙”号的飞行队长友永丈市大尉担任。第一攻击波由3个机队编成；水平轰炸机队、俯冲轰炸机队和担任护航的制空战斗机队，每个机队各36架飞机，合计108架。
航空母舰起航仪式开始时，地平线上刚刚露出微弱的光线。警报拉响了，“赤城”号迎风行驶。飞行长大声下达命令：“全体注意，各就各位！开车！”随着绿色信号灯在空中划了一个大圈，飞机一架接一架地摇摆着向前，轰鸣着飞上破晓的天空。全部飞机在15分钟内从4艘航空母舰上同时起飞，它们盘旋着，在完成编队后向中途岛扑去。
在第一攻击波起飞后不久，南云根据计划又派出了7架侦察机对海面进行搜索侦察，以确保及时发现附近海区内可能出现的美特混舰队。7架飞机按计划分别由“赤城”号、“加贺”号各派一架，驱逐舰一利根”号和“筑摩”号各派2架，战列舰“榛名”号派出1架。前2架负责西南方向海面，后5架负责东北方向海面，7路侦察机成扇面以舰队为中心进行搜索。除了“榛名”舰上的水上侦察机搜索半径为150海里外，其他飞机搜索半径均为300海里。
由于当时日军侦察机没有装备雷达，全靠目力观察，按通常的惯例应采取双相搜索进行侦察，即：第一批搜索机争取在天亮时到达搜索半径的最外端，然后返航。首批飞机启航后约1小时，在同一搜索扇面内派出第二批