Начало боя
Начиная с 30 мая, базовые самолеты с Мидуэя проводили дальний поиск, чтобы обнаружить приближение японской армады. На рассвете взлетали 11 летающих лодок, которые осматривали пространство на расстоянии 700 миль от Мидуэя. После полудня стартовали бомбардировщики В-17 «Летающая Крепость» с бомбами на борту. Кроме того, в утренних сумерках взлетала еще одна лодка PBY, чтобы на рассвете оказаться над наиболее вероятным маршрутом подхода японцев. Именно эта «Каталина» первой заметила японцев утром 3 июня. Как раз в тот момент, когда около 9.00 пилот уже собирался повернуть назад к Мидуэю, он увидел вражеские корабли на расстоянии 700 миль от атолла. Укрываясь в облаках, пилот следил за японцами до 11.00. Он сообщил об 11 кораблях, идущих на восток со скоростью 19 узлов. Это была часть Соединения вторжения.
Около полудня в атаку были отправлены 9 бомбардировщиков В-17 «Летающая Крепость». В 16.24 они сбросили бомбы на группу транспортов в 570 милях от Мидуэя. Хотя вернувшиеся пилоты заявили, что добились попаданий в 2 линкора или тяжелых крейсера (а таких кораблей в атакованном соединении просто не было) и 2 транспорта, японские корабли не пострадали. Затем с Мидуэя вылетели 4 вооруженные торпедами «Каталины». 4 июня в 1.15 они атаковали транспорты. В темноте они сбросили 3 торпеды, из которых одна попала в танкер, шедший позади транспортов. Взрывом были убиты 11 человек и ранены 17, однако танкер лишь ненадолго снизил скорость и вскоре снова занял свое место в строю. Ни один американский самолет не был сбит во время этих атак. Хотя эти атаки оказались неприятным сюрпризом для японских командиров, они не были слишком огорчены тем, что их соединение обнаружено. Японцы просто не верили, что американцы успеют перебросить в район боя достаточно сил, чтобы отразить японское вторжение на Мидуэй.
Теперь в бой вступили японские авианосцы. В предрассветных сумерках 4 июня в 4.30 корабли Нагумо начали поднимать самолеты. Это были 36 «Кейтов» с «Сорю» и «Хирю», вооруженные бомбами, и 36 «Вэлов» с «Акаги» и «Кага». (Один «Кейт» с «Хирю» вернулся из-за неполадок с мотором.) Их сопровождали 36 истребителей (по 9 с каждого авианосца). Капитан-лейтенант Ёити Томонага повел ударную группу, насчитывавшую 108 самолетов ,к Мидуэю, до которого оставалось 240 миль. После этого с «Кага» взлетели 9 истребителей, чтобы патрулировать над соединением. Еще 9 истребителей стояли в готовности на палубе «Акаги».
Нагумо также планировал выслать 7 самолетов на поиск американских кораблей, если те все-таки окажутся где-то неподалеку. Сначала взлетели по 1 «Кейту» с «Акаги» и «Кага» и гидросамолет с линкора «Харуна». Радиус поиска составлял 300 миль, но гидросамолет «Харуна» мог пролететь только половину этого расстояния. Еще 4 самолета-разведчика опоздали со взлетом на полчаса. Неисправности самолетов и катапульт привели к тому, что тяжелые крейсера «Тонэ» и «Тикума» подняли эти самолеты только в 5.00. Затем в 6.35 один из гидросамолетов «Тикума» был вынужден повернуть назад из-за проблем с мотором. Эта задержка с взлетом самолетов-разведчиков оказалась роковой для японцев.
За 15 минут до того как японские авианосцы начали поднимать самолеты, с Мидуэя вылетела группа утренней разведки из 11 летающих лодок PBY. В 5.45 одна из «Каталин» установила контакт, который адмирал Нимиц назвал «самым важным контактом за время боя». Пилот этого самолета в 150 милях от Мидуэя заметил японскую ударную авиагруппу. (Некоторые источники указывают время 5.25, однако 5.45 выглядит более вероятным.) В 5.52 пилот другой «Каталины» сообщил, что видит 2 японских авианосца и еще несколько кораблей в 180 милях к северо-западу от Мидуэя, то есть почти в 200 милях на запад от американских авианосцев.
В 5.53 радар на Мидуэе обнаружил приближающиеся японские самолеты в 93 милях к северо-западу от острова. На время атаки бомбардировщики и «Каталины» были подняты в воздух, чтобы очистить аэродром, а 20 F2A «Буффало» и 6 F4F «Уайлдкэтов» морской пехоты бросились на японцев. Схватка произошла в 30 милях от атолла. И F2A-3, и F4F-3 уступали «Зеро», который в то время был лучшим истребителем на Тихом океане. 15 истребителей морской пехоты были сбиты, а еще 7 получили тяжелые повреждения. Американцы сумели сбить только 2 «Зеро». Все японские бомбардировщики дошли до цели и в 6.30 начали бомбить Мидуэй.
Японские бомбы разрушили командный пункт морской пехоты, офицерскую столовую, топливные цистерны, ангар гидросамолетов, подожгли госпиталь и несколько казарм, серьезно повредили электростанцию. В 7.00 последний японский самолет улетел прочь. Всего в ходе атаки японцы потеряли 4 «Кейта», 1 «Вэл» и 2 «Зеро». Зенитный огонь американцев был сильным, и капитан-лейтенант Томонага передал на авианосец: «Требуется атака второй волны». Это не внушающее оптимизма сообщение расходилось с радиограммой одного из подчиненных Томонага: «Бомбили Сэнд Айленд и добились больших результатов».