侦察机，其主要任务是搜索第一批侦察机在夜间未能搜索到的海区。这样可将发现敌舰的概率提高一倍。但是，当时整个日本海军没有给予战场空中侦察以足够重视，南云虽有足够数量的、受过夜间飞行训练的飞行员来实施这一侦察方案，但他不肯增加用于侦察的飞机的数量。因为他根本就不相信敌舰队会在东经165度日军派出的潜艇警戒线以西出现。
各侦察机顺利升空，但原定在搜索扇面中央担任侦察任务的“利根”号和“筑摩”号两艘巡洋舰上的4架侦察机却因弹射器发生故障而未能准时起飞，待到其升空执行任务时，已比预定的出发时间晚了整整30分钟时间。这是一个严重的非同寻常的失误。接着，“筑摩”的6号机在搜索途中由于引擎发生故障，不得不于3时35分提前返航。整个侦察任务安排马虎，成了日本中途岛海战惨败的致命原因。
从美军的计划看，美特混舰队就在这一架折返的飞机的搜索区内。如果没有返航，自然会发现而且可以由日舰队先发制人；如果有第二批侦察机也可能发现。由于飞机的故障却出现了漏洞，而敌舰队恰好就在这个漏洞里，这对美军来说真是无法想象的幸运。
且说在南云把空袭中途岛的第一攻击波刚放走，就下令把第二波飞机从机库提升到飞行甲板。因为这是山本在出发前特意叮嘱安排的，主要是时刻准备提防和攻击有可能出现的美特混舰队。第二波飞机也是108架。
飞行甲板上摆满了这样多的飞机，无疑对美军也是一个极大的诱惑。当时在场的渊日美津雄中佐说：“我们就像一个背着满口袋黄金，单身在森林里赶路的人，自然会引起强盗注意，哪个强盗首先发现了，都会猛扑过来。”何况，只有18架战斗机为南云部队的21艘军舰的空中战斗巡逻。可以说，南云部队处境险恶。
6月5日晨，美霍华德·艾迪上尉驾驶着大型水上飞机在中途岛西北200海里的上空侦察飞行，当他穿过断云时，突然在水天线处发现了日本舰队。艾迪立即打开他的收发报机：“达夫尼呼叫，达夫尼呼叫，发现敌舰队，航向135度。航空母舰2艘、战列舰2艘、巡洋舰和驱逐舰待报。”不久，在艾迪东南方向的驾驶员蔡斯上尉又发现大批的日机正全速飞向中途岛。蔡斯立即发报，1分钟后，中途岛发出了战斗警报。此时正是中途岛时间6月4日清晨6时整（中途岛与日本的时差为21小时）。
蔡斯驾机悄悄地跟踪日机队，在离中途岛不到30海里的地方，他抢先飞到日机群上空，发射了1颗降落伞照明弹，向早已在空中严阵以待的26架“野猫”式战斗机报警。
空中拦截战开始了，但美机不是性能优良的“零”式机的对手。经过15分钟的激战，日本战斗机共击落15架美机，而自己未损1架，使全部轰炸机躲开了美机的拦击，安全抵达中途岛上空。
可是，早已作好充分准备的美国人已把岛上的飞机全部派到上空，机场上空空如也，偷袭珍珠港的那种便宜事再也没有了。日本轰炸机仅仅只能对东岛机场、机库、机场跑道及其他地面设施进行袭击和轰炸。第一次攻击没有达到预期目的。心情沮丧的第一攻击波指挥官友永在返航时向航空母舰请示：“需要进行第二次攻击。”
接到友永的电报后，南云司令部的参谋们展开了激烈的争论。有人主张为防备敌特混舰队，应维持现状。但也有人认为此次作战的目的在于攻占中途岛，应趁此机会彻底摧毁敌人的基地，掩护登陆部队顺利登陆。在这紧要关头，南云最后选择了进行第二次攻击，轰炸中途岛。
由于停在飞行甲板上的第二波飞机装备的是鱼雷和轰炸军舰用的重磅炸弹，要作陆地进攻就必须将鱼雷和炸弹全部卸下来，换成攻击陆地目标用的80号炸弹。4艘航空母舰的勤务人员奉命后，立即开始换装。但这是一件很麻烦的工作，要从战斗机之外的72架飞机上取下鱼雷和船舰用炸弹，换上陆地用炸弹，再快也需要1小时到1小时30分钟的时间。
“快！快！”
地勤人员及飞行员都在急急地换装，司令官、参谋以及舰长们也都在焦急地等待换装完成。正在这时，航空母舰上突然响起了空袭警报，中途岛岸基飞机对南云舰队的一连串空袭开始了。
首批来袭的美机共有6架海军鱼雷机和4架陆军B—26轰炸机。它们既没有战斗机护航，也不打算和日本战斗机纠缠，不顾日舰发射的猛烈炮火，径直扑向日本旗舰“赤城”号。当4架B一26轰炸机从左舷以7O米高度掠海而来正欲投弹时，“零”式战斗机迎上”前去，顿时就有3架美机毙命，剩下的一架丢下鱼雷落荒而逃。
“赤城”舰上的喝彩声还未结束，就听到舰桥了望哨的大声呼叫：“大型陆上攻击机6架，右舷20度，水平线。”这实际上是菲伯林上尉率领的6架“复仇者”式鱼雷轰炸机，前来执行他们的敢死使命。航行在右侧的战舰“雾岛”号首先开始射击，重巡洋舰也跟着射击。“黑色的高射炮火在它们周围开花，但是没有一架被击落。‘赤城’号的火炮开始射击的时候、3架