Обе поставленные задачи стало возможно выполнить разом, когда взгляд японского командования пал на небольшой атолл Мидуэй в составе Гавайского архипелага. Тут находился аэродром с твёрдым покрытием, захватив который японцы получали прекрасную промежуточную базу под носом у американцев, тем самым открывая себе дорогу к Пёрл-Харбору.
В конце мая 1942 года адмирал Ямамото приказал приступить к началу операции. Одно за другим в море стали выходить ударные соединения. Японцы делали ставку на внезапность своей атаки и превосходство в силах. Однако у командующего Тихоокеанским флотом США Честера Нимица был свой козырь в рукаве. Офицер разведки Эдвин Лейтон и его криптоаналитики во главе с Джозефом Рошфором смогли расшифровать японский код и получили возможность читать часть сообщений противника. Американцы предположили, что японцы используют сокращение AF для кодового обозначения атолла Мидуэй. Чтобы подтвердить свою догадку, они решили отправить фальшивую радиограмму о том, что на атолле сломался опреснитель воды. Как и ожидалось, спустя пару дней американцы перехватили шифровку, сообщавшую, что на AF проблемы с пресной водой. Поимо шифровок в штаб флота, дополняя картину происходящего, стекалось множество рапортов о ходе движения сил Ямамото.
Основной ударной силой японцев в предстоящей операции было Первое мобильное соединение адмирала Нагумо, эскадренные авианосцы которого — Akagi, Kaga, Hiryu̅ и So̅ryu̅ — уже попортили союзникам немало крови. Им противостояли два оперативных соединения, 16-е и 17-е, под командованием адмиралов Спрюэнса и Флетчера, имевших на двоих три авианосца: Enterprise, Hornet и Yorktown. Перед началом битвы за Мидуэй Спрюэнс возглавил 16-е оперативное соединение, сменив на посту адмирала Холси, который отправился в госпиталь с тяжёлым дерматитом — сказалось нервное напряжение последних шести месяцев, проведённых в море. Позже Холси прокомментировал своё вынужденное отстранение: «Это было самым скорбным разочарованием в моей карьере».
Первый контакт состоялся 3 июня в 9:04 по местному времени, когда патрульный самолёт засёк японское транспортное соединение в 500 милях к юго-западу от Мидуэя. Вскоре другой разведчик обнаружил главные силы японцев в 700 милях к западу от острова. Уже в 12 часов на перехват главных сил вылетели шесть тяжёлых бомбардировщиков B-17. Около 16:40 они произвели атаку с большой высоты, но попаданий не добились. Ночью четыре «Каталины» из состава 44-й патрульной эскадрильи по показаниям радаров вышли в атаку на транспортное соединение японцев, повредив торпедой танкер Akebono Maru.
В предрассветных сумерках 4 июня на авианосцах адмирала Нагумо вовсю кипела работа по подготовке первой волны самолётов, которые, по замыслу командования, должны были уничтожить всю американскую авиацию, находившуюся на островном аэродроме. В 4:30 утра, получив отмашку на старт, взмыли первые самолёты, а спустя 15 минут в небе находилось уже 108 машин. Выполнив боевое построение и описав круг над авианосцами, первая волна атакующих ушла в направлении Мидуэя.
В 5:45 от одной из летающих лодок пришло сообщение: «Много самолётов направляется к Мидуэю, пеленг 320, дистанция 150». Недолго думая, американцы подняли в воздух с Мидуэя всё, что могло летать, чтобы не подвергать опасности самолёты на земле. Попытка сорвать японскую атаку силами 27 истребителей Корпуса морской пехоты закончилась неудачно: 15 самолётов были сбиты, ещё семь — повреждены. Тем не менее, когда японская волна вышла в атаку на аэродром, она смогла лишь незначительно повредить взлётную полосу, а также разрушить часть построек. Из вылета, закончившегося практически впустую, не вернулось десять палубников.
Всё это время американцы напряжённо ждали главного сообщения об обнаружении ударной группы Императорского флота. В 5:52 с борта одного из патрульных самолётов доложили: «Обнаружили два авианосца и корабли главной группы, курс 135, скорость 25». В короткий промежуток времени одна за другой последовали атаки береговой авиации на авианосный ордер Нагумо, но ни один самолёт не смог добиться каких-либо успехов. Американцы в ходе этих атак, действуя без прикрытия истребителей, потеряли 14 самолётов. В 7:28 японский самолёт-разведчик с крейсера Tone установил контакт с американским соединением. Дуэль авианосцев началась.
Когда Нагумо узнал о местоположении американцев, их самолёты уже направлялись к его соединению. В это время на японских авианосцах готовили самолёты второй волны, намереваясь добить остатки американской авиации на островном аэродроме. Для отражения возможной атаки в воздух были поняты дополнительные истребители. Получив донесение разведки, Нагумо оказался перед сложным выбором: либо поднять имеющиеся на палубе самолёты с бомбами, подготовленные для атаки Мидуэя, и без прикрытия отправить их на американское соединение, либо дать возможность сесть первой волне палубников, так как их горючее было на исходе, а после, собрав всю ударную мощь, броситься на врага. Нагумо решил не рисковать и выбрал второй, более надёжный, вариант.
Первые взлетевшие американские торпедоносцы и истребители потеряли друг друга, из-за чего атака на японское соединение началась нескоординированно. Сначала на японские авианосцы над кромкой воды вышли 15 торпедоносцев TBD-1 с Hornet, а чуть позже — 14 торпедоносцев с Enterprise. Не имея ни одного самолёта прикрытия, они отчаянно бросились в атаку. Практически все торпедоносцы, кроме четырёх, были потеряны. Следом подоспели 12 торпедоносцев с Yorktown в сопровождении шести истребителей F4F-4. Стоит упомянуть важный факт: в момент атаки самолётов с Yorktown в воздухе находилось 42 японских истребителя «Зеро», обеспечивавших воздушное прикрытие. Шесть «Уайлдкэтов» эскорта под командованием лейтенант-коммандера Тача отвлекли на себя значительные силы японцев. В завязавшейся схватке американские лётчики смогли сбить семь и тяжело повредить ещё несколько A6M. Однако и эта группа не добилась попаданий. Обратно смогли вернуться только два торпедоносца и четыре истребителя.
Всё это время японцы старались как можно быстрее подготовить ударную волну для атаки американского соединения, параллельно принимая самолёты. Когда атаки американских торпедоносцев были отбиты, из облаков прямо на головы японцев с рёвом вывалились 50 пикировщиков. Японским истребителям, не успевшим набрать высоту для отражения налёта, оставалось только наблюдать атаку из партера.
Первыми на цель вышли эскадрильи «Даунтлессов» с Enterprise под командованием Кларенса «Уэйда» МакКласки. Топливо в баках его группы стремительно заканчивалось, как вдруг в просвете облаков американцы заметили уходивший на север японский эсминец. МакКласки решил последовать за ним. Риск оправдался — пикировщики вышли прямо на японские авианосцы. У нескольких самолётов, включая командира 6-й бомбардировочной эскадрильи Ричарда «Дика» Беста ещё во время набора высоты возникли проблемы с кислородным оборудованием, из-за чего они были вынуждены идти немного ниже основной группы в хвосте. В соответствии с правилами, эскадрилья Беста как замыкающая должна была атаковать ближнюю цель — авианосец Kaga. К этому Бест и приступил. Однако и МакКласки устремился к нему, уводя за собой порядка 25 самолётов. Мгновенно оценив обстановку, Бест прервал атаку и повернул в сторону Akagi. В это время на Kaga обрушилась лавина пикировщиков МакКласки, за мгновения превратив японский авианосец в пылающие руины. Через несколько минут уже Бест со своей эскадрильей начал пикировать на японского флагмана. Несмотря на малочисленность, американцы смогли провести точное бомбометание, впоследствии оказавшееся фатальным для корабля. Практически в это же время эскадрилья пикировщиков с Yorktown под командованием Максвелла Лесли атаковала So̅ryu̅ и добилась прямых попаданий.
В течение пяти минут «Даунтлессы» совершили чудо. Все три японских авианосца были заранее обречены. Заправленные самолёты на палубах, заполненные бензопроводы, а также находившийся на палубе арсенал сделали своё дело — вспыхнули опустошающие пожары с последующей детонацией боеприпасов. К утру следующего дня Akagi, Kaga и So̅ryu̅ лежали на морском дне.
После выхода из боя флагмана Akagi командование палубной авиацией принял командующий 2-й дивизией авианосцев контр-адмирал Ямагути. В его распоряжении невредимым оставался только Hiryu̅, отошедший севернее от основной группы во время уклонения от атак торпедоносцев. В 10:40 он начал поднимать ударную группу в составе 18 пикирующих бомбардировщиков D3A и шести истребителей A6M. Несмотря на явный перевес сил не в пользу японцев, другого выхода не было. Спустя час на подходе к Yorktown завязался ожесточённый воздушный бой. Понеся потери, японские пикировщики смогли добиться попаданий в корабль тремя бомбами. Авианосец на короткое время лишился хода, но к 13:50 аварийные партии локализовали пожары и устранили повреждения. Корабль начал делать 19 узлов и продолжил приём-выпуск самолётов.
Получив неубедительные данные от восьми вернувшихся из вылета самолётов, Ямагути отправил вторую волну, состоявшую из десяти торпедоносцев B5N и шести истребителей A6M. В 14:26 авиагруппа под командованием капитан-лейтенанта Томонага, предварительно связав боем истребители прикрытия, начала атаку Yorktown с разных направлений и добилась двух попаданий торпед. Машины корабля остановились, постепенно начал увеличиваться крен, а к 15:00 корабли эскорта сняли экипаж авианосца. Несмотря на полученные повреждения, Yorktown остался на плаву, а вернувшиеся аварийные партии на следующий день попытались возобновить спасение корабля. Однако тут в очередной раз вмешалась судьба. 6 июня неподвижный авианосец атаковала японская подводная лодка I 168. Получив новые повреждения, авианосец почти сутки держался на поверхности. Его агония началась только утром следующего дня.
В это же время разведчики с Yorktown обнаружили в 72 милях к северо-западу Hiryu̅ в сопровождении десятка кораблей, включая линкоры Haruna и Kirishima. Ямагути намеревался атаковать оставшиеся американские авианосцы в сумерках, а пока команда получила короткую передышку на приём пищи и подготовку самолётов. В 17:03 тишину нарушил крик сигнальщика Hiryu̅: «Прямо над нами пикирующие бомбардировщики противника!». Пока японцы в очередной раз готовились к атаке, Enterprise и Hornet выслали свои пикировщики, успевшие к этому моменту заправиться и перевооружиться. Группа с Enterprise уложила четыре бомбы в носовую часть японского авианосца. Последовали взрывы огромной мощности, после чего треть полётной палубы завалилась внутрь ангаров. Вспыхнули пожары.
К ночи стало понятно, что все попытки потушить обречённый корабль безрезультатны. Около 2:50 остатки команды собрались на полётной палубе, где к ним с прощальной речью обратился командир корабля Каку, а затем и Ямагути — оба офицера решили остаться вместе с кораблём. Подошедшие эсминцы эскорта сняли команду с авианосца и, выполняя последний приказ адмирала, в 5:10 дали торпедный залп в Hiryu̅. Раздались взрывы. Авианосец стал тонуть. Корабль продержался на поверхности до 8:20, а затем ушёл на дно.
Поражение в битве за Мидуэй стало для Японии катастрофой и лишило её основной ударной силы — авианосцев. Восполнить эти потери было нечем. В это время на американских верфях строились три эскадренных и девять лёгких авианосцев, а на японских — лишь один эскадренный, один лёгкий и один перестраивался из пассажирского лайнера. Так в регионе было остановлено японское цунами. Началась война на истощение, в которой у империи из-за подавляющего превосходства США в ресурсах и индустриальной мощи не было шансов.