Как только закончился налет «Виндикейторов», один из эсминцев охранения сообщил, что видит много приближающихся самолетов. Его орудия открыли было огонь, но почти сразу замолчали, так как это были возвращающиеся самолеты первой волны лейтенанта Томонага. И снова адмирал Нагумо оказался в затруднительном положении. Обнаружены вражеские авианосцы, палубы японских авианосцев забиты перевооружаемыми самолетами, а теперь вернулись самолеты с почти пустыми топливными баками, которые нужно было принять как можно быстрее. Нагумо не мог отправить подготовленные самолеты в атаку, так как 36 истребителей, которые должны были сопровождать вторую волну, участвовали в отражении воздушных атак самолетов с Мидуэя. Командир 2-й дивизии авианосцев контр-адмирал Ямагути передал Нагумо: «Считаю желательным выслать ударную группу немедленно». Адмирал Нагумо решил, что риск отправить одни бомбардировщики без истребительного прикрытия слишком велик. В этом его убедило избиение самолетов, которые атаковали его собственные авианосцы. Вскоре после 8.30 полетные палубы японских авианосцев были очищены, и на мачту «Акаги» взвился флажный сигнал: «Начать посадку».
Один за другим садились самолеты первой волны. Часть из них имела повреждения. Один раненный пилот потерял сознание, как только его самолет остановился. Пока садились самолеты, эсминец «Араси» заметил поблизости подводную лодку и атаковал ее глубинными бомбами.
В 9.18 все самолеты первой волны сели. Адмирал Нагумо приказал повернуть на север и дать полный ход, начав подготовку авиагруппы для удара по американским кораблям. Он радировал адмиралу Ямамото и вице-адмиралу Кондо о своих намерениях.
Авианосцы Нагумо шли на север со скоростью 30 узлов, готовя 93 самолета ударной группы к взлету, назначенному на 10.30. В состав группы входили 45 торпедоносцев (18 с «Акаги» и 27 с «Кага»), 36 пикировщиков (по 18 с «Сорю» и «Хирю») и 12 истребителей (по 3 с каждого авианосца). Однако в 9.20 корабли охранения сообщили о приближении американских самолетов. «Зеро» немедленно поднялись в воздух с авианосцев, палубы которых были забиты вооруженными и заправленными самолетами. Приближающиеся самолеты взлетели с американских авианосцев.
Американские авианосцы атакуют
Маневрируя к северо-востоку от Мидуэя, американские авианосцы ожидали точных сведений об авианосцах противника, которые, как надеялись, будут обнаружены дальними разведчиками, действующими с атолла. Адмирал Флетчер приказал двум своим авианосцам держать самолеты в готовности к атаке, в то время как самолеты третьего авианосца производили поиск на расстояние 100 миль и осуществляли воздушное прикрытие соединения.
4 июня в 4.30 «Йорктаун» поднял 10 пикировщиков SBD для поиска противника и истребители воздушного патруля. В 5.34 адмирал Флетчер узнал о присутствии японского авианосного соединения из радиограммы патрульной лодки PВY, в которой имелись слова «вражеские авианосцы». Через полчаса другая «Каталина» сообщила, что японские авианосцы находятся в 200 милях к западу от американских. Таким образом, адмиралу Флетчеру стало известно о присутствии вражеских авианосцев раньше, чем аналогичную информацию получил адмирал Нагумо. Эти сведения, а также данные разведки, раскрывшей планы японцев, определили весь ход боя.
Адмирал Нимиц в свое время принял важнейшее решение, немедленно отправив к Мидуэю все имеющиеся силы. Теперь критическое решение предстояло сделать адмиралу Флетчеру. Разведка сообщила, что в операции у Мидуэя будут участвовать 4 или 5 японских авианосцев. «Каталина» увидела только 2 из них. Флетчер не хотел бросать в бой всю свою авиацию, пока не получит более полные сведения о противнике. Кроме того, он хотел дождаться возвращения 10 «Доунтлессов», отправленных для ведения разведки. Адмирал Спрюэнс получил от него приказ повернуть на юго-запад с авианосцами «Энтерпрайз» и «Хорнет» и «атаковать неприятельские авианосцы, когда их место будет точно установлено». Флетчер намеревался последовать за Спрюэнсом, когда примет и заправит свои разведчики.
Через несколько минут адмирал Спрюэнс изменил курс и пошел на сближение с противником, имея скорость 25 узлов. Получив сообщение с Мидуэя, адмирал Спрюэнс принял важнейшее решение, решившее исход битвы. Он приказал как можно быстрее поднять свои самолеты, чтобы опередить вторую волну японских самолетов. Это означало, что поднимать самолеты придется на расстоянии 200 миль от противника, тогда как TBD с подвешенными торпедами имели радиус действия всего 175 миль. Начиная с 7.00, с «Энтерпрайза» и «Хорнета» взлетели почти все их самолеты. «Энтерпрайз» поднял 10 истребителей F4F «Уайлдкэт», 33 пикирующих бомбардировщика SBD «Доунтлесс» и 14 торпедоносцев TBD «Дивастейтор». С «Хорнета» стартовали 10 истребителей, 35 пикирующих бомбардировщиков и 15 торпедоносцев. На авианосцах остались только 8 «Доунтлессов» противолодочного патруля, 18 «Уайлдкэтов» воздушного патруля и 18 «Уайлдкэтов», стоявших в готовности на палубах авианосцев.