Bonyolult haditerv, a támadó haderő szétforgácsolása, a hírszerzés és a felderítés hiányosságai, elbizakodottság, rugalmatlan hadvezetés, az ellenség nem várt erőteljes ellenállása, valamint a hadiszerencse elpártolása – többek között ezek a tényezők döntötték el az 1942. június 4-én kezdődő csatát a Midway-szigeteknél.
Miután 1941. december 7-én a japán repülőgép-hordozókról felszálló torpedóvető és zuhanóbombázó repülőgépek súlyos veszteségeket okoztak az Amerikai Egyesült Államok flottájának Pearl Harbornál, a japánok sikeres terjeszkedésbe kezdtek. 1942 elején látványos előretöréssel hatalmas területet vontak a fennhatóságuk alá. Az Amerikai Egyesült Államok légiereje azonban 1942. április 18-án merész támadást hajtott végre Tokió ellen; tizenhárom B–25-ös bombázó a Hornet repülőgép-hordozó fedélzetéről felszállva mért csapást a japán fővárosra.
A váratlan akció eldöntötte a japán vezérkaron belül a vitát: a további déli irányú előretörés helyett keleti irányba fordultak. Az Egyesített Flotta vezetési törzsében az újabb hadműveleteket Jamamoto tengernagy tervezte meg. A Hawaii-szigetek felé való előretörésben felértékelődött a 6,2 km² nagyságú Midway-szigetek szerepe, amelyet bázisként lehetett volna használni. Jamamoto elképzelése szerint egy partraszállási hadművelet mindenféleképp az amerikai flotta riadóztatásával járna együtt; és úgy vélte, hogy a Midway felmentésére beérkező repülőgép-hordozókra könnyen csapást lehet majd mérni.
Ebben az időben a Császári Japán Haditengerészet hat nagyobb repülőgép-hordozójával szemben az amerikaiak még csak hármat tudtak bevetni, így egy döntő csata akár teljes japán győzelmet is eredményezhetett volna. A támadás bonyolult haditervvel indult meg: egy hajóraj az Aleut-szigetek ellen vonult fel Dutch Harbor felé, azzal a céllal, hogy elvonja az amerikaiak figyelmét a valódi célpontról. Midwayre három hajóraj fordult rá, a partra szálló egységek hajói, a négy repülőgép-hordozó Nagumo altengernagy irányításával cirkálók és rombolók fedezete alatt, és végül a csatahajókkal és nehézcirkálókkal megerősített hajóraj, amely tisztes távolságban követte a támadást.
Csakhogy az amerikai hírszerzés már korábban felderítette a japánok szándékát – így egyrészt nem csoportosították át a fő erőiket északra az Aleut-szigetek védelmére, másrészt repülőgép-hordozóikat a Midway-szigetek felé küldték, mielőtt a japánok mindezt észlelték volna. Így az amerikaiak felkészültek egy váratlan ellencsapásra a japán flottával szemben. Az erőviszonyok azonban még nem nekik kedveztek, a három repülőgép-hordozó – az Enterprise, a Hornet (16. különleges egység, Spruance ellentengernagy) és a Yorktown (17. különleges egység, Fletcher ellentengernagy) – 180 vadászgépet és bombázót vitt magával, míg a japán hajókon mintegy 270 gép szolgált.
A japán hírszerzés nemcsak az amerikai előkészületeket nem tudta felderíteni, hanem azt sem, hogy az amerikaiaknak sikerült két nap alatt megjavítaniuk a Yorktownt, amely a korall-tengeri csatában sérült meg 1942 májusában. A két amerikai flottaegység Midwaytől mintegy 320 km-re északkeletre helyezkedett el.
A mintegy féléves sikersorozat után támadásba lendülő japán flotta hajói többnapos út során teljes rádiócsendben közelítették meg Midwayt, és a szigetektől mintegy 400 km-re nyugatra helyezkedtek el. 1942. június 4-én a hajnali órákban megindult a szárazföldi célpontok elleni bombatámadás, amely azonban nem pusztította el teljes mértékben az ottani repülőteret. Az erről szóló jelentések után Nagumo altengernagy változtatott az eredeti terven: újabb bombázásra utasította a repülőgépeket. Parancsának komoly következménye lett – a repülőgép-hordozókon leszerelték a gépekről a hajók elleni torpedókat, nehézbombákat, és helyettük újra repeszbombákat függesztettek fel. Nemsokára a második hullám is elindult Midway bombázására.
Eközben Nagumóhoz beérkezett egy felderítőgép jelentése – ellenséges hajókat észlelt tőlük mintegy 390 km-rel távolabb, de csak egy óra múlva küldött újabb hírt arról, hogy egy hordozót is lát közöttük. Nagumo számára innentől kezdve világossá vált, hogy az amerikai flotta tőrbe csalása nem sikerült, sőt ők lephetik meg a japán flottát. Ekkor az amerikai hordozókról felszálló gépek már másfél órája levegőben voltak, és a két flotta közötti út felét megtették. Most Nagumónak kellett volna minél előbb a japán gépeket is elindítani abba az irányba. Ezért amikor Midway második bombázása után visszatértek a gépek, feszített munka kezdődött, hogy felkészítsék őket a hajók elleni támadásra.
Értékes percek teltek el az üzemanyag-feltöltéssel, a torpedók és nehézbombák felfüggesztésével. A fedélzeteken rengeteg veszélyes robbanóanyag halmozódott fel. Fél tíz körül az Enterprise és a Hornet zuhanóbombázói megérkeztek, és a kibontakozó légi harcban a japán vadászgépek, valamint a hajók légvédelme elhárította a támadást. Percekkel később a Yorktown megérkező torpedóvetői is súlyos veszteségeket szenvedtek. Délelőtt tíz órára úgy tűnt, hogy Nagumo megnyerte a tengeri csatát, hiszen az amerikaiak elvesztették a repülőgépeik nagy részét – és a japánoknak már csak rá kell fordulniuk a védelem nélkül maradt ellenséges hordozókra. Nagumo zászlóshajója, az Akagi szélirányba fordult és felkészült a támadó repülőgépek indítására. Fél tizenegy előtt öt perccel azonban minden megváltozott.
Egy amerikai zuhanóbombázó-raj – miközben átrepült mintegy 315 kilométert – elszakadt a többiektől, és már-már visszafordult volna, amikor észrevették Nagumo hajóit. A megfelelő magasságba felemelkedve, onnan alázúdulva csaptak le az áldozataikra; így sem a japán vadászgépeknek, sem a hajók légvédelmének nem volt esélye a váratlan támadás kivédésére. Öt perc alatt három japán repülőgép-hordozó kapott végzetes találatokat, és rövidesen lángoló roncsokká változtak. A kiégett hajótestek este és másnap hajnalban süllyedtek el.
A negyedik hordozó kitért a támadások elől, sőt el is tudta indítani a gépeit, és azok nemsokára súlyosan megrongálták a Yorktownt. Az amerikai repülőgép-hordozó lángba borult és mozgásképtelenné vált, másnap egy japán tengeralattjáró elsüllyesztette. Eközben a csata helyszínétől nagy sebességgel távolodó japán repülőgép-hordozó sem kerülhette el a végzetét, június 4-én délután öt óra körül az Enterprise zuhanóbombázói csapást mértek rá, és kigyulladt.
Ezzel a Midway közelében megvívott tengeri csata legfőbb hadmozdulatai véget is értek. A csendes-óceáni hadműveletek sorsa öt perc alatt megfordult, és a japánok nagyon súlyos veszteséget szenvedtek; ezzel a támadó lendületük megtört. Rövidesen bekövetkezett az, amitől Jamamoto is tartott, az Amerikai Egyesült Államok az ipari kapacitását kihasználva nyomasztó erőfölényre tett szert – például a háború végéig tizennégy nagyobb repülőgép-hordozót állított szolgálatba, míg Japán hatot.