中途岛海战，作为日军最后的垂死挣扎，也给盟军制造了一些威胁，它的经过也是一波三折的。
6月4日凌晨，日本第一攻击波机群开始从4艘航空母舰上同时起飞，150架舰载机出发攻击中途岛。第二攻击波飞机提到飞行甲板上，准备迎击美国舰队。但是重巡洋舰利根号的2架侦察机因为弹射器故障，起飞时间耽误了半个小时，筑摩号的1架侦察机引擎又发生故障中途返航，给日本舰队海战失败埋下祸根。
6月4日清晨，中途岛派出的“卡塔林娜”式侦察机发回发现日军航空母舰的信息，美军立即做出反应，准备立即攻击日军航母。美国舰队因为已经破解了日本海军的通讯密码，对敌人的计划了如指掌。
6月4日早晨，当日本舰载机向中途岛发动了猛烈的攻击。驻扎在中途岛的美军战斗机也全部升空，迎击来犯的日本战机。美军的轰炸机，包括了B17型轰炸机也向日本舰队发动还击。
7时整，日军的第一攻击波机群准备开始返航，并向日军总指挥发出了需要进行第二次攻击的电报。
7时06分，由战斗机、鱼雷机、轰炸机所组成的117架战机，从美军的大黄蜂号及企业号升空，奔向250海里外的南云舰队。8时40分，15海里以外的约克镇号起飞了40架战机。
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。经过激烈的空战，中途岛的防御力量还是很强的，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，日军仍然没有发现美军舰队。
7时15分，日军决定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，日军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250海里的海面发现10艘美国军舰。日军当即命令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。就在日军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B17轰炸机和俯冲轰炸机扑向了日军的舰队。由于美军的轰炸机没有战斗机护航，结果很快的就被日军派出的零式战斗机击退。
战斗一直持续到6月4日晚，已经被摧毁的日军苍龙号、加贺号航空母舰先后沉没。
6月5日2时，日本联合舰队司令下令：“取消中途岛的占领行动。”6月5日夜间，日军两艘重巡洋舰最上号和三隈号在浓雾中转向时互撞，最上号重创，三偎号留下陪伴左右。
6月5日天亮，美军飞机一波又一波的轰炸负伤的日军巡洋舰三隈号、最上号。三偎号葬身海底，而重伤的最上号反而逃过大难，挣扎着回到特鲁克的基地。攻击结束以后，美军特混舰队随即撤离战场。
随后，日军潜艇发现了约克城号，随即发射4条鱼雷，2条命中约克城号，1条命中护航的哈曼号驱逐舰，两舰相继沉没。
中途岛之战终于宣告结束。
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