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».
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 10?, 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.
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».
