事实上美国停泊在珍珠港内的战舰共有94艘。或许是巧合，通常停在港内的三艘航空母舰和一支强大的巡洋舰队，当时外出执行任务去了。但日本人对自己一手造成的巨大破坏感到心满意足，以致无意再去搜索处于他们航程范围之内的三艘美国大型航空母舰企业号、列克星顿号和萨拉托加号。这三艘幸存的航空母舰在以后几个月里，使日本海军付出了高昂的代价。
就在珍珠港事件的当天，日军又开始了对东南亚的狂轰滥炸。香港、新加坡、苏门答腊、爪哇等相继失陷。
日本海军的战略目的，是建立从千岛起，经威克岛、马绍尔群岛、吉尔伯特群岛、所罗门群岛、苏门答腊，直到缅甸为止的大防御圈；以岛屿机场的空军为主，配合航空母舰机动打击兵力，消灭任何敢于闯入防圈的盟军舰队；保证日本帝国慢慢消化掉它仓促吞下的大片别国领土。山本大将认为日本工业是根本无法和美国匹敌的，必须在美国军火工业重新武装太平洋舰队前，采取攻势行动，诱歼美国残余舰队。这就要在北路的阿留申群岛、中路的中途岛和南路的新几内亚发动入侵。由于利害重大，美军必然投入战斗。
山本想引诱美国人出战，而进攻位于珍珠港西北1136里的美军中途岛基地，将能实现这一设想。山本选择中途岛自有他的道理。中途岛到美国旧金山和日本横滨都约5000公里，恰好横在太平洋航线正中，战略地位一目了然。占领中途岛，就可以利用它和它东面的几个小火山岛和珊瑚礁进攻美国太平洋主要基地夏威夷，把防御圈向东推进。而美军为确保防线，也必将把太平洋舰队投入中途岛进行决战。这样，就可诱而歼之。
经过周密部署，于1942年5月20日日军集结兵力完毕，共有大小舰艇20余艘，并且在5月21日在公海举行了规模宏大的演习。日本舰队好不气派。
日本大本营精心制定的联合舰队中途岛作战计划被命名为“米号作战”。看起来堂皇威武，实际上有不少弱点。但山本一厢情愿地指靠珍珠港式的战术奇袭。由于美国情报机构的一些惊人成就，美军早已成功地破译了日本海军当时使用的主要密码，从中得知日本关于中途岛攻略的详尽计划。美国太平洋舰队司令尼米兹海军上将将计就计，火速调兵遣将，从陆海空三方面保卫中途岛。铁丝网、沙袋、水泥、大炮、弹药源源不断地运到岛上；日夜加修工事；夏仑上校的海军陆战队第6防御营每天在滩头阵地演习。2个B―17远程轰炸机中队在中途岛机场着陆，接着又飞来4个中队B―25型飞机，它们改装后可以做为鱼雷机攻击军舰；一整船的战斗机和俯冲轰炸机运到中途岛并且很快装配起来，使中途岛上的飞机达到120架之多。珍珠港的空中力量也得到了加强。
一场鏖战开始了，6月3日，云层上飞翔着标有太阳旗的35架日本飞机。它们冒着恶劣气候条件袭击了阿留申惟一的港口荷兰港。同日下午，中途岛起飞的9架美军B―17轰炸机空袭了田中赖三少将指挥的运兵船队，这些“空中堡垒”的投弹手们技术欠佳，一艘船也没炸沉。
6月4日拂晓，连日来笼罩在洋面上的海雾散尽了，一轮艳红的旭日跃出中太平洋的碧水。“飞龙”、“赤城”等舰的飞行甲板上响起震耳欲聋的马达声，108架日本战斗机和轰炸机吼叫着飞上天空。飞行员技术熟练，击毁了大部分美军战斗机，日轰炸机未受任何损失就到达了中途岛上空投下炸弹。可惜机场上空空空如野，日军炸弹只给跑道和供油系统造成一些破坏。
作为南云忠一对手的雷·艾·斯普鲁恩斯少将多谋善断，他初次指挥航空母舰特混舰队就显示了惊人的才华。当他从监视日本舰队的卡塔利那式水上飞机那里得知南云处于不利形势的报告后，立刻命令美机从他指挥的第16特混舰队的两艘航空母舰上起飞。“企业”号和“大黄蜂”号上的蒸汽弹射机嘶叫着，把一架架满载炸弹和鱼雷的飞机弹到空中，升降机又把新的飞机提升到甲板上。从7时20分起用了一个小时，使67架俯冲轰炸机、29架鱼雷机和20架战斗机升空完毕。第17特混舰队的弗莱彻将军也命令飞机升空，他担心日本母舰不止一队，所以留下一半俯冲轰炸机。上午9时6分，“约克城”号的17架俯冲轰炸机、12架鱼雷机和6架战斗机也全部升空向中途岛飞去。
在南云第一机动航空母舰部队四周的卡塔利那水上飞机先后有32架之多，叫日本海军极为恼火。南云的零式机不断地追逐、收拾它们，而水上飞机在云层中钻来钻去和零式机纠缠，最后还是叫零式机赶跑了。结果，斯普鲁恩斯失去了和南云的接触，他并不知道日本舰队北撤的情形，美机假定南云还是在去中途岛的方向。“大黄蜂”号的第一批先头俯冲轰炸机共35架，扑到敌舰预想的方位上并没有找到它们。这批美机便顺着日舰可能的航线向中途岛飞去，和日本舰队正好南辕北辙，越飞越远。这批飞机部分在中途岛着陆，有些则燃油烧完掉到海中。上午9时25分，沃尔德伦惊叫一声，日本舰队在海上环绕成巨大的钢铁花环，航空母舰正在其中。虽然美国劫掠者鱼雷机已经陈旧过时，又没有一架战斗机护航，沃尔德伦上尉还是决然投入攻击。美机毫无畏惧地掠过波浪起伏的海面，不顾零式机的机关枪和水面舰艇的高射炮，用单薄的机翼劈开火网向日本母舰投下鱼雷。这是一场自杀性的悲剧式进攻，所有美机全被击落，包括沃尔德伦在内的30名空勤人员仅活下来一人。
10时整，该轮到“约克城”号的鱼雷机来进行毫无希望的攻击了。梅西少校领导了这次敢死行动，虽然他有6架战斗机掩护，但下场同样悲惨，12架鱼雷机在零式机痛打下仅有2架死里逃生。全部出击的41架美国鱼雷机竟然只有6架生还！而且居然未能射中一条鱼雷。美军飞行员这种舍生忘死的牺牲精神，在美国海军航空兵史上尚无先例。撰写美国海军战史的塞缪尔·莫里森教授就此评论说：“正是由于驾驶着老式鱼雷机的青年人们，具有过人的英勇和牺牲精神，才使后续的胜利具有可能性。这种视死如归的疯狂攻击，纠缠住了日本航空母舰，阻止它们使更多的飞机升空……”
正当日本水兵拍着刚刚归来的飞行员的肩膀伸出大拇指时，突然惊叫起来：“俯冲轰炸机!”
那正是37架美国俯冲轰炸机。它们从“企业”号上起飞，由梅克拉斯基少校指挥。他果断地把所有飞机分成两队，向日舰扑去。这正是日本母舰旧机回收新机未飞的关键性5分钟。日本航空母舰活像是海上的死靶子，零式机在低空追鱼雷机，尚未拉起。
美军无畏式俯冲轰炸机吼叫着穿空而下，重磅炸弹凄厉地摇晃着从机翼下斜落，并引爆了给日本航空母舰准备的鱼雷。顿时“加贺”号航空母舰成为一片火海。这艘为日本海军在珍珠港和南洋立下赫赫战功的航空母舰成了焚烧的废船。19时25分，在两声天崩地裂的大爆炸后，38200吨的“加贺”舰翻转着它巨大的躯体沉入太平洋，水兵战死者800人。
“赤城”也未幸免，而且情况越来越严重。它到处起火，舷梯和甲板被烧得通红，完全失去了战斗能力。发电机停机后，消防水泵无法使用。紧接着大火封锁了中层甲板，烧毁了所有通讯设施，轮机舱虽然完好，但所有通道上都大火熊熊。后来火焰烧入通气孔，将机舱水兵全部闷死。18时，青木舰长决定弃舰，幸存者转移到驱逐舰上。19时20分，青木请求用驱逐舰将“赤城”舰击毁。6月5日凌晨，山本下令炸沉“赤城”号。4时55分，太平洋上的朝阳还没升起，36500吨的“赤城”舰就沉没了，它的水下爆炸连驱逐舰都感到震动。
17架从“约克城”号起飞的美军俯冲轰炸机在莱斯利少校指挥下又勇猛地袭击了“苍龙”舰，3颗1000磅炸弹命中该舰。6月4日上午10时30分，“苍龙”舰中弹5分钟后，完全变成了一片火海。20分钟后，舰长柳本柳作下令弃船。19时13分，15900吨的“苍龙”舰沉入了海底。这是中途岛海战中沉没的又一艘日本航空母舰。美军取得如此辉煌的战果仅付出16架俯冲轰炸机的代价，其中“企业”号的飞机被击落14架，“约克城”有2架俯冲轰炸机未能收回。
山本大将正幻想着诱出美国航空母舰进行炮击时，突然接到南云的电报“……加贺、苍龙和赤城三舰全身起火，我们正在向北撤退，并重新组织力量。”他面对噩耗，脸色铁青，无言以对。所谓“组织力量”就是指使用空袭中惟一幸存的“飞龙”舰为整个舰队复仇。
指挥着“飞龙”舰向北撤退的是山口多闻海军少将，他是日本海军第一流的将才。他毫不犹豫地命令日军飞行员准备好对美舰的空袭。6月4日10时40分，“飞龙”舰飞行分队长小林道雄海军大尉带领18架俯冲轰炸机和6架零式机起飞攻击美舰。但遭到美12架战斗机和高射炮的有力拦截，包括小林在内的13架Val式俯冲轰炸机和3架零式战斗机被击落。
山口派出轰炸“约克城”的飞机后，接到侦察机飞行员的报告：敌部队中有“企业”、“大黄蜂”和“约克城”三艘航空母舰。他大吃一惊：自己已处于明显的劣势。他没有退缩，选了空袭中途岛归来的友永丈市大尉带领“飞龙”号上仅有的10架鱼雷机和6架战斗机对“约克城”发动第二次攻击。但很快也被美军击败。
中途岛海战的最后一幕是“约克城”号的沉没。
中途岛海战以美军胜利、日军惨败而告终，日本海军自1592年朝鲜壬辰战争以来，未遭大败。从甲午中日战争、日俄战争起，横行西太平洋，更是所向披靡。美国海军上将欧内斯特·金在评价中途岛海战的意义时说：“中途岛之战是350年以来，日本海军遭受的第一次决定性的失败。”美国海军以1艘航空母舰、1艘驱逐舰和147架飞机的代价，击沉了4艘日本舰队航空母舰和一艘重巡洋舰，52架飞机被击落，280架飞机随舰沉入大海。中途岛海战是太平洋战争的转折点，从此之后，日本军阀开始走向下坡路。
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