Когда адмирал Нимиц в Пирл-Харборе получил сообщение, что японцы бомбят Мидуэй, он приказал базирующимся на острове самолетам немедленно атаковать японские авианосцы. 6 новых торпедоносцев TBF «Авенджер» и 4 армейских бомбардировщика В-26, кружившие возле Мидуэя, полетели к японским авианосцам. Каждый самолет был вооружен торпедой.
Эти 10 самолетов заметили вражеские авианосцы в 7.10, однако японцы увидели их еще раньше. Истребители «Зеро» бросились в атаку, а зенитные орудия открыли бешеный огонь. Несколько торпедоносцев были сбиты раньше, чем успели сбросить торпеды. Японские авианосцы легко уклонились от всех торпед, а одна даже была взорвана в воде пулеметной очередью. Один В-26, поврежденный зенитным огнем, скользнул по полетной палубе «Акаги», чуть было не врезавшись в командирский мостик, и рухнул в море. Остальные самолеты были буквально разорваны на куски вражескими снарядами. На Мидуэй сумели вернуться только 1 «Авенджер» с убитым стрелком и раненным радистом и 2 изрешеченных В-26. (Один В-26 на следующий день улетел на Оаху с радостным известием о том, что самолеты ВВС «торпедировали» японский авианосец.)
Пока корабли Нагумо уклонялись от торпед, японский адмирал находился в глубоком раздумье. Сообщение Томонага и атака торпедоносцев убедили его, что требуется второй налет на Мидуэй. После взлета первой волны на палубы авианосцев были подняты еще 108 самолетов: 36 «Кейтов» с торпедами на «Акаги» и «Кага», 36 «Вэлов» на «Сорю» и «Хирю» и 36 истребителей. Эти самолеты стояли в готовности к немедленному взлету, чтобы атаковать американские корабли, как только те будут обнаружены самолетами-разведчиками. В 7.15 адмирал Нагумо приказал перевооружить торпедоносцы на «Акаги» и «Кага» бомбами для повторной атаки Мидуэя. Это означало долгую утомительную работу. А если учесть, что нужно было принимать возвращающиеся самолеты первой волны, то эти 2 авианосца оказывались занятыми на целый час.
Наконец в 7.28 один из самолетов «Тонэ», взлетевших на полчаса позже срока, сообщил: «Вижу 10 кораблей, очевидно, неприятельских. Пеленг 10º, расстояние 240 миль от Мидуэя». Эта точка находились в 200 милях от японских авианосцев. Так адмирал Нагумо впервые узнал о присутствии возле атолла американских кораблей. Однако он еще не знал, есть ли среди них авианосцы. На мостике «Акаги» долго обсуждали ситуацию, и наконец Нагумо распорядился уже вооруженные бомбами «Кейты» обратно перевооружить торпедами и приготовиться к атаке американских кораблей. Он также приказал гидросамолету «Тонэ» поддерживать контакт с американским соединением и выяснить, входят ли в него авианосцы. Авианосец «Сорю» получил приказ поднять один из новых разведчиков D4Y «Джуди», чтобы и дальше сохранить контакт с противником.
В 7.58 самолет «Тонэ» сообщил об изменении курса американцами, а в 8.08 донес: «Неприятель имеет 5 крейсеров и 5 эсминцев». Штаб Нагумо облегченно вздохнул. Теперь можно было спокойно заняться уничтожением авиации Мидуэя и лишь потом переключиться на вражеские корабли. Однако такое намерение просуществовало недолго. В 8.20 разведчик передал: «Неприятельскую колонну замыкает корабль, похожий на авианосец». А еще через 10 минут он радировал: «Еще 2 вражеских крейсера в отдельной группе».
Тем временем продолжались воздушные атаки самолетов с Мидуэя. В 7.55, сразу после сообщения о том, что поблизости находятся американские корабли, 16 пикирующих бомбардировщиков SBD морской пехоты атаковали «Хирю». Пилоты были совсем неопытными, и они вместо атаки с пикирования провели малоэффективную атаку с планирования. Авианосец попаданий не получил, и только 8 «Доунтлессов» спаслись от огромного роя «Зеро». 6 из 8 пикировщиков, вернувшихся на остров, получили тяжелые повреждения и восстановлению не подлежали.
После этого в дело вступили ВВС. В 8.10 появились 15 бомбардировщиков В-17 «Летающая Крепость» и сбросили бомбы на японское соединение с высоты 20000 футов. Летчики уверенно заявили, что добились 4 попаданий в 2 авианосца, но на самом деле все бомбы легли мимо. Японские корабли никаких повреждений не получили.
Когда «Летающие Крепости» уже повернули назад, прибыли 11 пикирующих бомбардировщиков морской пехоты SB2U «Виндикейтор». «Зеро» набросились на них, и те не сумели прорваться к авианосцам. Не выдержав вражеских атак, они поспешно сбросили бомбы на подвернувшийся линкор «Харуна». Некоторые пилоты заявили, что атаковали линкор «Кирисима». Ни один из японских кораблей попаданий не получил, а 4 американских самолета были сбиты.