7时10分，首批从中途岛起飞的10架美军鱼雷轰炸机出现在南云舰队的上空。美军飞机排成单行，扑向日航空母舰。在日军战斗机的截杀和日舰猛烈的炮火下，很快就击落了7架。
友永的报告和美机的攻击，使南云中将相信中途岛的防御力量还很强，于是决定把原来准备用于对付美舰的飞机改为对中途岛进行第二次轰炸。此时，他仍然没有发现美军舰队。
7时15分，南云下令赤城号和加贺号将在甲板上已经装好鱼雷的飞机送下机库，卸下鱼雷换装对地攻击的高爆炸弹。
7时30分，南云接到利根号推迟半小时起飞的一架侦察机发来的电报，距中途岛约240海里的海面发现10艘美**舰。
南云命该侦察机继续查明敌人舰队是否拥有航空母舰，同时命令暂停对鱼雷机的换弹。
就在南云等待侦察机的侦察结果时，空中再次响起了警报。40余架从中途岛起飞的美军b-17轰炸机和俯冲轰炸机扑向南云的舰队。由于美军的轰炸机没有战斗机护航，结果很快的就被南云派出的零式战斗机击退。
8时15分，南云终于接到了侦察机传来的报告：美军舰队里确实有航母的存在。南云下令各舰停止装炸弹，飞机再次送回机库重新改装鱼雷，日本航空母舰的甲板上一片混乱，为了争取时间。卸下的炸弹，都堆放在甲板上。
8时30分，空袭中途岛的第一攻击波机群返航飞抵日本舰队的上空。还有那些保护航空母舰的战斗机也需要降落加油。
南云处于进退维谷的境地。第二航空母舰战队司令山口海军少将向南云建议“立即命令攻击部队起飞”。
第二批突击飞机换装鱼雷还没有完成，如果马上发动进攻，也没有战斗机护航。而且舰上的跑道被起飞的飞机占用，那么油箱空空的第一攻击波机群会掉进海里。
南云决定把攻击时间推迟，首先收回空袭中途岛和拦截美军轰炸机的飞机，然后重新组织部队以进攻美军特混舰队。
8时37分，返航的飞机开始相继降落在四艘航空母舰飞行甲板上。
9时18分，全部飞机的作业完毕。南云命令舰队以30节的航速向北航行。以避开再来攻击的美机。准备全力进攻美军特混舰队。
9时20分，掩护日本舰队的战斗机开始起飞。
9时25分，一队由大黄蜂号起飞的15架“复仇者”式鱼雷轰炸机组成的编队发现了南云舰队。不幸的是，他们的燃油即将耗尽。而且没有战斗机护航。在自杀式攻击中。被零式战斗机和高射炮火全部击落。30名飞行员除1人生还外全部遇难。
9时30分，从企业号、约克城号起飞的28架美军战机陆续尾随而来，向苍龙号和飞龙号展开攻击。然而在攻击南云舰队的时候遭到重创。损失了20架鱼雷轰炸机，美机所投鱼雷竟无一命中。
10时20分，由美军的攻击飞机甲板开始执行给护航的零式战斗机加油加弹作业，无法准备反击波。正当日军战斗机在低空忙着驱赶美军鱼雷机时，南云舰队的上空出现了33架由克拉伦斯?麦克拉斯基少校率领从企业号起飞的无畏式俯冲轰炸机。
此时，日舰正在掉头转到迎风的方向，处于极易受攻击的境地，只停放着几架零式战斗机
10时24分，第一架换班的防空日本战斗机飞离飞行甲板时。企业号的33架“无畏”式俯冲轰炸机，分成2个中队分别攻击赤城号航空母舰和加贺号航空母舰（此时该几舰没有做好放飞攻击编队的准备），接踵而来的是17架从约克城号航空母舰上起飞的“无畏”式俯冲轰炸机则专门攻击苍龙号航空母舰。
日军的3艘航空母舰刹那间变成了三团火球，堆放在甲板上的的飞机以及燃料和弹药引起大爆炸，火光直冲云霄，短短的5分钟，日本三艘航空母舰被彻底炸毁了。
10时40分，接替指挥空中作战的日第2航空战队司令官山口多闻少将发动反击，18架由日本自行研制、实际上是安西提供部分技术让他们升级而弄出来的“九九”式俯冲轰炸机和6架零式战斗机组成的攻击编队从飞龙号航空母舰起飞。
飞向目标途中，发现了一批正在返航的美军轰炸机，便悄悄的尾随。就因如此，日机成功的找到了约克城号，并立即发动攻击。3颗炸弹命中约克城号，虽然遭到破坏，但是在美军船员的极力抢修下，恢复了航行功能。
11点30分，南云中将及其幕僚转移到了长良号巡洋舰，开始集合残余的舰队。