每艘航空母舰派出9架“零”式战斗机，统一由“苍龙”号的菅波正治海军上尉率领，担任护航任务。菅波也曾参与袭击珍珠港。
在舰员们雷鸣般的狂呼声中，攻击中途岛的108架飞机从4艘航空母舰上陆续起飞。
4时45分，机群编队完毕后绕舰队飞行一周，然后向东南天际飞去。
中途岛的美军虽然知道日军将在6月4日发动进攻，但却弄不清楚日军究竟会在4日的什么时刻进攻，使用多大兵力进攻。因此，从3日夜间，中途岛就开始焦虑不安地观察着，等待着。
为及时发现来袭的日军机群，中途岛指挥官派出了两个各由6架战斗机组成的分队，掩护11架卡塔林纳式飞机在空中巡逻。
在岛上，香农的第6陆战守备营的高射炮兵已经全部进入战斗岗位。
码头上停泊的8艘鱼雷艇随时准备去营救幸存者，并做好了用机枪射击来犯敌机的准备。
4架陆军B…26型轰炸机和VT…8分遣队的6架海军TBF鱼雷机正在等待战斗的召唤。
VMSB…241中队的11架 “复仇者”式机以及16架 “破坏者”式机也在待命出击。
中途岛防御决策者们确定的基本作战方案有三个要点：第一，一旦雷达站（沙岛和东岛上各有一个）报告敌机接近，他们就让机场上能起飞的飞机全部升空，以防止日军将他们的飞机击毁在机场上。第二，在雷达站报告说敌人逼近时，他们将通过无线电指挥VMF…221中队不等敌机飞临该岛上空就进行拦截。第三，VMSB…241中队将在距东岛20海里90度方位处集结待命，随时寻歼敌航空母舰或跟踪袭击返航的日机。应当说，这是一个很不错的作战方案。
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初次交手（2）
沙岛上的美军指挥所与中途岛上的其他掩体有着共同的特点：长方形的木板房，上面覆盖着作为防水物质代用品的纸和沥青。整个掩体坐落在一个约1米多深的沙坑里，从坑里挖出的沙子就覆盖到屋顶上，再在上面堆满了修筑跑道时砍下的树枝。掩体上已经长满青草，形成了天然的伪装，从空中看去就好像一个沙丘。现在，凯姆斯、麦考尔和帕克斯正在指挥所里研究如何使用归他们调遣的20架F2A…3（海军称这种飞机为“水牛”式，陆战队称之为“布鲁斯特”式；但两家都非正式地称之为“空中棺材”）和6架F4F…3“野猫”式飞机。这3位陆战队军官在一起商量的情景，活像精心制作超薄葱油饼的家庭主妇，既想把面团擀得很薄很薄，但又不能擀破。
经过热烈讨论，他们决定把这些飞机分成3个组，以防日本人同时来自几个方向的进攻。第一组由帕克斯的第1分队的4架“水牛”式机、罗伯特·E 。柯廷上尉的第4分队的4架同类型飞机以及凯里的第5分队的6架“野猫”式机组成。这样，帕克斯就有14架飞机。其余12架再平均分成两组：第2分队为一个组，由副中队长丹尼尔·J 。 亨尼西上尉率领；第3分队为另一个组，由柯克·阿米斯特德上尉率领。
报务篷里，为了防止日本人的无线电干扰，保证通信联络的畅通，报务员们绞尽了脑汁。他们估计他们使用过一段时间的频率已为日方掌握，所以在过去的四五天当中，他们经常变换电台频率。他们准备了四五种频率，当必须打破无线电静默时，就立即换用在该地区从未使用过的某一频率。不到万不得已，不使用所谓“作战频率”。为了进一步迷惑日本人，报务员们还把过去两个月中的报务日志打乱，然后由值班人员在白天不定期地向机场发送一二个从日志上任意摘取的段落。这样表面上看起来一切如常。这些办法很有效，因为日本人整个白天都不干扰了。这样，一旦战斗打响，指挥所中临时设立的战斗机指挥官就可以根据雷达和巡逻机提供的情报，放手地通过电台来指挥空中的战斗机了。
沙岛和东岛的雷达站也做好了充分战斗准备。指挥所里的标图设备就是一张桌子，上面标出360度方位以及150海里的区域，把桌面中央定为中心，从圆心架出一个支臂，臂面上标着海里数。当雷达捕捉到飞机亮点的方位和距离后，标图员就将支臂转动，使之与方位重合，从而可以很快知道亮点的位置和具体坐标。
5时20分，驾驶“卡塔林纳”式4V 58号机的霍华德· P 。 艾迪中尉和副驾驶员莫里斯·史密斯少尉报告：“发现一架来历不明的飞机。”这份报告并没有引起人们的注意，中途岛仍然沉浸在令人不安的寂静中。
但是，仅仅10分钟后，他们又发来的一份电报：“发现一艘航空母舰，方位320，距离180。”
中途岛立即行动起来了。侦察机待机室传出所有侦察机立即发动的命令，战斗警报和作战命令在最短的时间内下达到了陆军、海军和陆战队的各航空人员，第6守备营也下令其高射炮群“向所有判明为非我方的飞机开火”。
5时45分，各机的乘员各就各位，打开无线电，并完成了暖机。
这时，被尼米兹称为“此次战斗中最重要的敌情”被发现了。
3V58号机的威廉·A 。 蔡斯少尉正驾机进行侦察飞行，他的观察员W。 C 。科贝尔少尉突然发现两批45架飞机正在逼近。这两名侦察员异常激动。与此同时，他们也清醒地意识到，在这个时候争速度抢时间比保密更为重要，于是他们没有加密，直接用明语报告了敌情：“很多飞机正飞向中途岛，方位320度，距离150。”
5时52分，蔡斯又报告说，发现“两艘航空母舰及主力舰只，以航空母舰为先导，航向135，航速35”。
蔡斯报告后1分钟，沙岛的雷达站报告：“敌机数架，距离93海里，310度，高度万英尺。”
几分钟后，沙岛雷达站又报告说：“敌机不是数架，而是许多架！”
初次交手（3）
刹那间，中途岛响起了一片空袭警报声。待命中的各种战斗机相继升空。
帕克斯的第1分队旋即升空，柯廷的第4分队紧接着起飞。接着，凯里率领“野猫”式机起飞。马里恩·E·卡尔上尉及其僚机克莱顿·M 。 坎菲尔德少尉也随后起飞。
与此同时，阿米斯特德已率领本分队6架“水牛”式机升空，盘旋待命。
这时，雷达荧光屏上已经很清楚地显示出日本机群的情况。日本飞机飞得很高，成一个批次直逼中途岛而来。
于是，中途岛命令阿米斯特德和亨尼西转向320度，这样他们就能够助同伴一臂之力。
凯里的3架“野猫”式最先与来犯日机遭遇。凯里飞得较高，而且目光敏锐，他先发现了敌人。
6时12分整，凯里抓起报话机喊道：“发现目标！鹰在天使十二！”这是在告诉中途岛场站以及其他美国飞行员，他在万英尺高空发现了轰炸机。
这批日机可能是“飞龙”号和“苍龙”号的高空轰炸机。当初从母舰上起飞时共18架，但其中一架因发动机出了故障，中途被迫返航。
凯里发现，敌战斗机并不像人们所料想的那样在机群前为轰炸机开路，而是飞得比轰炸机稍后略偏高。这就使凯里得以迅速向日军轰炸机发起攻击，而且不至于被“零”式机追上。
凯里驾着“野猫”式战斗机一个平稳的横滚，呼啸着俯冲下去。他在瞄准具中牢牢地抓住一架领队机。此时，他的飞机突然遭到攻击，挡风玻璃被子弹打裂。但他全然不顾，聚精会神地按动了发射器。只见那架敌机瞬间在空中爆炸。
凯里迅速拉出“V”形，直冲向上，一个外侧滑急转弯，向敌飞机编队的后部飞去。他再次高速飞回时，飞机被一架敌轰炸机尾部机枪击中，钢铁碎片飞进了他的双腿。
坎菲尔德一路随着凯里，他全力对付敌第二队的第三号机，直到亲眼看着它爆炸并起火坠落。在发起攻击过程中，他发现几架日本战斗机从左侧成一路向他俯冲过来。为甩掉这些“零”式机，他飞向大约5海里外的一朵大云彩，绕着云彩飞了一圈后，他回头一看，只见一架日本轰炸机拖着一道长长的黑烟正在海面上燃烧。敌战斗机已经看不见了，于是他追上了正在歪歪扭扭地向中途岛方向飞行的凯里。
凯里双腿负伤，疼痛钻心，无法正常踩方向舵。坎菲尔德担负起领航的责任，引导他的上级一路借助云层的掩护返航。凯里两腿血肉模糊，疼痛难忍，有两次几乎昏厥过去，但他以顽强的毅力继续向前飞。
坎菲尔德率先降落，飞机刚停止滑行，他就从机舱里跳了出来，刚好在日本人空袭前跳进了掩体。凯里紧跟着降落，但飞机着陆时他觉得无法驾驭它，因为他无力踩刹车，加之飞机的两个轮胎已被打破，他的飞机滑出跑道，撞进一个飞机掩体。有两个人跳上去，把他从飞机里拉出来，拖到掩体后面。他们刚躲到掩体后不久，日军的炸弹就落了下来。
与此同时，卡尔向敌机群开了火。他刚想回头看看战绩如何，却发现好几架日本“零”式战斗机尾随上来。他大吃一惊，赶紧加大油门，笔直向下俯冲。日机追到3000英尺高度就不再追了，显然是担心如不能及时恢复水平飞行就有坠入大海的危险。
卡尔爬升到2万英尺的高度后，向中途岛的上空飞去。接近中途岛时，他发现距基地大约2海里处有3架日本“零”式机正在低空盘旋，立即全速朝这几架飞机冲去。
卡尔进入一架敌机的盘旋轨道，从后面把它紧紧咬住，向敌机打了一个长点射，敌机歪歪斜斜直向下栽。卡尔看见，这架飞机拖着浓烟，几乎是笔直地栽了下去。
另外两架“零”式机向卡尔扑上来，卡尔遁入云层躲避。其中一架日机停止了追击，另一架继续逼进，并不断向他射击。
卡尔见“零”式机高速追上来，决定使用柔道技术，用敌人自己的招数击败敌人。他突然把他的“野猫”式飞机的速度放慢，进入滑行。因为“零”式机的速度极快，所以一下子就窜到了他的前面。当敌机从卡尔身边飞过时，卡尔连连射击，一举将那架飞机击落。
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初次交手（4）
帕克斯率领的第1分队升空后，发现两支呈“V”形编队的日本轰炸机分队，每个分队有9架飞机。这些飞机是阿部平次郎海军上校率领的“苍龙”号的水平轰炸机。帕克斯的5架“水牛”式战斗机从上方接敌。但是很遗憾，第1分队在击落一架日机后，所有的飞机都被日军击落。
柯廷的僚机驾驶员达雷尔·欧文正在目睹第1分队英勇战斗场面，突然被一架“零”式机从身后咬住。那架日机像一条甩不掉的尾巴，紧紧跟着他。他爬到大约万英尺后想俯冲逃脱，但却被日机死死咬住。欧文突然感到飞机一阵震动，原来是左副翼被日机打掉了一大块。
欧文已无法操纵飞机作战了，所以就急速向中途岛飞去。此时，不仅那架日机对欧文穷追不舍，而且又飞来一架日机助战。两架日机频频向欧文发起攻击。它们每次从欧文身边飞过时，都急速从翼侧转弯，准备再度攻击。日本飞行员的射击技术很好，每次都打中了欧文的飞机。欧文多次听见子弹铛铛地打在他的背后装甲防护板上。防护板只与肩同高，这一点欧文很清楚，因此他尽量向下缩着坐，以免失去装甲防护。
欧文被这两架日机咬得很紧，无法回身反击；他只想尽快把它们甩掉，或者把它们诱入美军的对空火力网。两架日机在后边紧追，欧文把脑袋缩进座舱里，冒着敌机的俯冲轰炸，于6时50分在中途岛降落。
亨尼西率领第2分队的6架战斗机升空后不久，就发现了日军的飞机编队。亨尼西指挥着6架战斗机，迅速冲向敌编队。
菲利普·R 。 怀特上尉发现空中共有3个日机“V”形编队，每个编队各由9架飞机组成。他向其中的一个编队冲过去。然而，他突然发现自己的身后紧跟着一架“零”式机。怀特急中生智，猛地一个俯冲，痛痛快快甩掉了日机。
当怀特再次爬升到1万英尺的高度时，听见无线电报告说有一架敌机沿310度方向飞离该空域。他立即调整飞行方向，轻而易举地找到了这架敌机。随即，他从远距离高速向敌机冲去。
怀特的“水牛”式飞机吐出的一串串子弹直射日机，日本轰炸机晃晃悠悠地向左一拐，栽进了大海。
打掉这架敌机后，怀特长出一口气，再次爬高，寻找战机。此时，他发现另一架轰炸机在云层中时隐时现。
怀特咬着牙，把他那架老掉牙的“水牛”的马力开到最大，向那架飞机追去。
怀特悄悄地接近那架飞机。直到很近的距离，那架飞机还没有发现。怀特用瞄准具套上日机，射出了一长串子弹。怀特射出的子弹打坏了敌机的发动机，那架轰炸机的速度顿时大减。此时，怀特只要再来一个点射，那架飞机不在空中爆炸也会栽到海里。但遗憾的是，怀特的弹药已耗尽，无法收拾这个囊中之物了。
而怀特击中的这架日机，正是日军飞行队长友永驾驶的。友永飞机中弹的时间是6时55分。中弹后，友永立即命令各中队独立作战，并向南云报告说：“我被击中，已命令各中队独立作战。”
怀特匆匆返回中途岛，补充弹药后再度起飞。但他还没有来得及再次打击来犯敌机，就收到了关于全部返航的命令。在第2分队中，生还的只有怀特和赫伯特·T 。 梅里尔上尉。梅里尔在受伤的飞机中呆的时间太长，他的脸部、脖子和双手都被严重烧伤，最后跳伞跳到礁湖中才保全了性命。
怀特目睹了许多战友的牺牲，因而对“水牛”式飞机的性能极为不满。他评价说：“F2A…3机根本不是战斗机，日本“零”式战斗机可以绕着它转圈飞……我认为，指挥官在命令飞行员驾驶F2A…3升空时，就应当认为这名飞行员已经阵亡了……”
与第1、第2分队相比，阿米斯特德的第3分队运气还算不错。
当听到凯里“发现目标”的呼叫后，阿米斯特德指挥他的6机编队立即爬升。他看到，日机在万英尺的高度嗡嗡地向前飞，日机编队的位置在阿米斯特德右侧约2海里，距离中途岛约8海里。
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初次交手（5）
阿米斯特德立即指挥他的编队转向70度飞行，并继续爬升。他想让自己的编队赶到日军机群前上方，再顺着阳光的方向冲向敌人。但是，他的编队未能及时到达预期的位置，只好从万英尺的高度向下俯冲，扑向日军5个各由5～9架轰炸机组成的“V”形编队。
俯冲时，阿米斯特德向空中巡视了一下，看见自己的5架战斗机紧紧地跟进，另外还有1架“野猫”式机也跟了上来。这架“野猫”式飞机是由斯旺斯伯格驾驶的。
阿米斯特德选择的攻击目标是由5架日机组成的敌机编队。他从高空陡直向下飞速冲向日机。在最恰当的距离上，阿米斯特德按下了发射按钮，一个长长的点射打了出去。
阿米斯特德发射的是燃烧弹。这串燃烧弹从日机编队的长机前面开始，沿着“V”形编队的左翼一路打过去。阿米斯特德回头一看，只见有两架日机起火。
阿米斯特德急跃升到万英尺的高度时，发现有3架日军战斗机成一路跟了上来。这些敌机爬升的角度很陡，速度很快。当离阿米斯特德最近的那架飞机处于他身后下方500英尺时，阿米斯特德发现这3架飞机都是“零”式机。
阿米斯特德猛地急转弯，一个半滚倒转，可是已经晚了，他的“水牛”式机已中了许多日机发