日军方面也被岛上的守军击落了数十架飞机──大部分是被防空火力击落的，但它们对中途岛上的设施进行了彻底的破坏。日军飞机炸毁了飞机库、发电厂、燃料仓库和军火设施。当带队空袭中途岛的日军指挥官友永丈市海军大尉准备离开时，他发出了这样一条电报：“有必要对中途岛实施第二次空袭。”在接到空袭机群的电报后，南云中将下令准备执行第二次轰炸任务。
与此同时，从中途岛上起飞的美军混编空袭机群也迫近了日军舰队。其中一位“复仇者”鱼雷轰炸机的飞行员是阿尔伯特•欧内斯特海军少尉（Ensign Albert K. Earnest），他讲述了在美军机群飞向日军舰队的最后15英里（约24千米）的路程中发生的激烈战斗：高速的零式战斗机如砍瓜切菜般击落了5架TBF“复仇者”，只剩下欧内斯特驾机拼死发动了攻击──在他的飞机上，无线电操作员哈瑞尔•费里尔（Harrier H. Ferrier）受伤，尾部机枪手杰伊•曼宁（Jay D. Manning）阵亡。
高速的零式战斗机如砍瓜切菜般击落了5架TBF“复仇者”
欧内斯特少尉后来回忆说：“我驾驶的飞机的升降舵钢缆被打飞了。我朝着最近的一艘船──1艘轻巡洋舰发射了鱼雷，因为我觉得我的飞机已经失去控制了，但后来又重新恢复了对升降舵调整片的控制。”他最终驾驶着这架千疮百孔的TBF返回了中途岛，降落的时候只降下了一个轮子，而且鱼雷舱的门还是开着的。
中途岛之战中唯一一架返回的TBF，飞行员是阿尔伯特•欧内斯特海军少尉。此役中美军参战的6架TBF大约是在上午7点10分抵达日本舰队上空的
陆军航空队方面对中途岛战役的贡献来自小詹姆斯•柯林斯上尉（Capt. James F. Collins Jr.）率领的由4架高速B-26“掠夺者”轰炸机组成的空袭编队。他们拼死向日军舰队发起了攻击，几乎达到了极限──其中一架B-26差一点坠毁在日军旗舰“赤城”号航空母舰的飞行甲板上。最终，只有柯林斯上尉和詹姆斯•穆里中尉（Lt. James P. Muri）的“掠夺者”返回了中途岛。
B-26对日军舰队展开决死突击
接下来向日军舰队发起攻击的是海军陆战队的轰炸机。只部分接受过训练的VMSB-241俯冲轰炸机中队只能进行“下滑轰炸”（glide-bombing）攻击，而无法进行大角度的俯冲轰炸。在攻击“飞龙”号航空母舰时美军损失了8架“无畏”，而“守护者”的表现也没有好到哪里去。由于无法接近日军的航空母舰，这些美军战机转而去攻击日军的战列舰，结果又损失了4架飞机，可依旧无济于事。
不久，斯维尼中校率领着14架B-17轰炸机回来了，这些轰炸机以较小的队型发起了攻击，他们投下的炸弹在日军航母周围的海面上炸起了一道道水柱，但日军航母却毫发未伤。好像这还并不令人感到足够沮丧，美军潜艇“鹦鹉螺”号瞄准“加贺”号航空母舰发射了1枚鱼雷并命中了目标──结果却是一颗哑弹（译者注：亦有资料称“鹦鹉螺”号是向“雾岛”号战列舰发射了2枚鱼雷，其中1枚被卡在了发射管里）。
打乱了南云舰队阵脚的美军“鹦鹉螺”号潜艇（SS-168），属“一角鲸”级。1942年6月25日，该艇击沉了日军“岚”号驱逐舰，此后又击沉了5艘货船，击伤了4艘货船、1艘油船和1艘驱逐舰，并获得过“总统集体嘉奖”和14颗“战斗之星”。该艇于1945年7月25日退役
此时此刻，日军的空中侦察力量还在远离航母编队的空域中飞行着。一架隶属于某艘巡洋舰（译者注：查阅相关资料知，应该是日军的“利根”号重巡洋舰搭载的4号侦察机，机长为甘利洋司）的水上侦察机发回了一条报警的无线电报：发现一支美军舰队，而且舰队中“似乎有一艘航空母舰”。
“飞到别的地方”的攻击机群
南云中将现在意识到他面临着一个非常严重的海上威胁，并下令让九七式舰载攻击机卸下炸弹，换装鱼雷，结果此举浪费了宝贵的时间。
在美军的两支航母特混舰队中，雷蒙德•阿姆斯•斯普鲁恩斯海军少将的第16特混舰队首先发起了攻击。斯普鲁恩斯海军少将是接替威廉•弗雷德里克•哈尔西海军中将而指挥第16特混舰队的，其麾下拥有“企业”号和“大黄蜂”号2艘航空母舰。一俟美军舰队接近到了可向日军舰队发起空袭的攻击距离之内，斯普鲁恩斯就下令让这2艘航空母舰起飞他们的空袭机群。与此同时，坐镇“约克城”号航母特混舰队并统一指挥中途岛海战的弗兰克•杰克•弗莱彻海军少将一直在向西南方向航行，直到其派出的侦察机群返航为止。在这场至关重要的航母大战中，主要的美国海军将领没有一位是飞行员出身。
由于参谋方面的问题，“大E”（译者注：即“企业”号航空母舰的昵称）和“大黄蜂”未能协调他们的出击编队，而且这2艘航母放飞机群的过程都有些拖沓。“企业”号空袭机群的指挥官小克拉伦斯•韦德•麦克拉斯基海军少校（Lt. Cmdr. C. Wade McClusky Jr.）在接到“按照既定任务行事”的命令之前带领着他麾下的2个SBD俯冲轰炸机中队盘旋了将近一个小时。接到命令后，麦克拉斯基海军少校带领着30架“无畏”式俯冲轰炸机朝预期的拦截点飞去，结果与他麾下的鱼雷机中队分开了。
小克拉伦斯•韦德•麦克拉斯基海军少校，老家纽约州布法罗，1929年成为海军飞行员，1942年成为“企业”号航空母舰的空中编队指挥官，太平洋战争后期担任“科雷吉多尔”号护航航空母舰的舰长，1956年以海军少将的军衔退役。美国海军用其名字命名了一艘“佩里”级护卫舰（FFG-41），美国海军航空兵每年颁发的最优秀攻击机中队奖也取名为“韦德•麦克拉斯基奖”