На сцену выступили две американские тактические группы с тремя авианосцами в своем составе.
В 7:00 американские авианосцы начали выпускать самолеты. Сначала поднялись торпедоносцы, за ними пикировщики и, наконец, истребители. Последними взлетели 10 F4F под командованием Пэта Митчелла. Десятка F4F из VF-6 под командованием Джима Грея должна была сопровождать бомбардировщики, которые вели подполковник Юджин Э. Линдси (VT-6) и подполковник МакКласки (VB-6 и VS-6). Из-за ошибки, с самого начала самолеты Грея сумели найти только торпедоносцы из VT-8. Авиагруппа с авианосца «Hornet» взяла неверный курс. Самолеты взяли сильно к западу и не обнаружили цели. Поняв бесполезность дальнейших поисков, командир группы разделил свои силы на два отряда и приказал им самостоятельно возвращаться экономическим ходом на Мидуэй или авианосец. Хуже всего было истребителям, которые несли мало топлива. Ситуацию усугубляло то обстоятельство, что на самолетах барахлило устройство YE-2В, которое должно было указывать курс на авианосец. Фактически, только лейтенант Джон МакИнерни сумел взять пеленг, но его попытки доказать это командиру авиагруппы успеха не имели. Самолеты продолжали лететь наугад. Вскоре замолчали двигатели у истребителей. Самолеты один за другим садились на воду. Из десяти пилотов удалось подобрать восьмерых.
Тем временем десятка истребителей Джима Грея, сопровождавшая торпедоносцы из VT-8 подполковника Уолдрона, уже оказалась в виду японских авианосцев. Напрасно Грей ожидал условного сигнала «Come down, Jim», который должен был подать Арт Эли из VT-6. В это время VT-6 еще находилась далеко от японской эскадры, а у Уолдрона с Греем радиосвязи не было. Кроме того, визуально Грей не видел, что происходит с торпедоносцами из-за большой разницы в высоте. В 10:00 Грей повернул свои истребители назад, на самолетах заканчивалось топливо.
С палубы авианосца «Yorktown» в операции участвовали торпедоносцы и бомбардировщики из VT-3 и VB-3, которые сопровождали шесть F4F-4 подполковника Джимми Тача. Флетчер приказал 19 истребителей оставить для обороны авианосца. Тач взлетел в 9:05 последним. В этом случае организация оказалась на высоком уровне. В расчетное время истребители заняли позиции для защиты торпедоносцев полковника Лема Масси от атаки японских истребителей. Однако японских истребителей оказалось слишком много, и истребителям пришлось заняться самозащитой. В первые же минуты боя был сбит лейтенант Эд Бассетт. Тач заложил вираж. Внезапно перед ним показался «Zero». Тач поймал в прицел капот японского самолета и нажал спуск. Японец загорелся и сошел с курса… Затем Тач какое-то время был занят тем, чтобы оторваться от насевших на него японцев. Попутно ему удалось отцепить с хвоста лейтенанта Рама Дибба японский истребитель. Затем Тач заявил еще одну победу, но прийти на помощь торпедоносцам не было никакой возможности. Лейтенант Брейнард Макомбер был сбит в тот момент, когда махал Тачу, докладывая о вероятной победе. Два других F4F также вели ожесточенное сражение. Том Чик и Дэн Шиди заявили одну достоверную и одну вероятную победу. Шиди был ранен в ногу. Тем временем, американские бомбардировщики все же прорвались к японским авианосцам. Удалось добиться попаданий в три авианосца, на которых начался пожар.
Четверка истребителей Тача дотянула до авианосца на последних каплях бензина. Том Чик не справился с управлением, пробил заградительный барьер и перегородил полетную палубу. Дэну Шиди пришлось садиться на «Hornet». Раненный в стопу Шиди забыл поставить пулеметы на предохранитель. В результате жесткого касания подломилась стойка одного шасси, из-за чего сработали два пулемета. Погибло пять человек палубной команды, еще несколько матросов получили ранения и тяжелые ожоги от фосфорных трассирующих пуль.
Всего Тачу и его пилотам засчитали шесть сбитых и два поврежденных А6М2: подполковнику Тачу — 3 сбитых, лейтенанту Макомберу -1 поврежденный, лейтенанту Диббу — 1 сбитый, лейтенанту Шиди — 1 сбитый, Чику — один сбитый и один поврежденный.
Истребители, оставленные при авианосцах, сформировали боевые воздушные патрули (Combat Air Patrol — CAP). Патрули сменяли друг друга в воздухе каждые 90 минут. Около полудня радар «Йорктауна» засек неизвестные самолеты. Вскоре выяснилось, что это японская ударная группировка. VF-3 держала в воздухе 12 истребителей, еще несколько машин стояло в состоянии полной готовности на палубе «Хорнета».
Ближе всего к японцам стоял «Yorktown». Именно он стал главной целью. Истребители из VF-6 кружили над кораблями TF-16 на тот случай, если бы японцы попытались разделить силы. Центральный пост управления истребителями находился на борту «Энтерпрайза» («Red Base»). Запасной пост управления («Blue Base») находился на «Хорнете». Третий пост управления («Scarlet Base») находился на «Йорктауне». На «Алой базе» находился командир авиагруппы «Йорктауна» Пит Педерсен.
Ударная группа с «Хирю» — последнего неповрежденного авианосца — была оценена в 18 пикировщиков «Val» и 4 истребителя «Zero».
Истребители из VF-3 выдвинулись на перехват. В первый заход удалось сбить шесть японских самолетов. Японские истребители сопровождения были связаны боем парой F4F, которые пилотировали лейтенанты Эд Маттисон и Гораций Басе. В бою Маттисон получил попадание в крыло, но сумел удержать самолет и решил атаковать пикировщики. Лейтенанту удалось зайти в хвост одному из пикировщиков. Обычный задний пулемет на японском бомбардировщике отсутствовал, поэтому Маттисону ничего не помешало сбить вражескую машину. Док МакКаски организовал лобовую атаку на японский пикировщик. В сумятице боя МакКаски потерял где-то своего ведомого и пристроился третьим к паре Билл Вуллен — Билл Варне. В течение нескольких минут МакКаски атаковал одну за другой две группы пикировщиков по шесть машин в каждой и заявил три победы. В этот момент ему на хвост сели два японских пикировщика. МакКаски с легкостью оторвался от них, но продолжать бой не смог — кончились патроны.
Полностью окрашенный в желто-оранжевый цвет учебно-тренировочный FM-2 сфотографирован на стоянке аэродрома в Джонсонвилле, шт. Пенсильвания, 9 сентября 1946 г. На этой базе готовили механиков для самолетов палубной авиации, поэтому здесь имелись самолеты самых разных типов.
«Уайлдкэт» Mk VI (JV752) в сдаточном полете незадолго до передачи машины заказчику — авиации Royal NA VY. В марте 1944 г. англичане изменили систему наименования самолетов американского производства — все они получили во избежание путаницы свои исконно-посконные американские имена. Таким образом «Мартлет» снова стал «Уайлдкэтом», правда сохранив принятую в британском флоте систему обозначения модификаций. До изменения систему наименований флот успел получить небольшое количество самолетов «Мартлет» Mk VI.
Другой пилот VF-3 — лейтенант Арт Брассфилд, командир четвертого звена — заявил три сбитых пикировщика. Затем он перехватил еще один пикировщик над самой водой и сбил его. Но другие японские самолеты продолжали рваться к цели. Прибывшее на помощь звено истребителей с авианосца «Hornet» сбило один «Val» и вероятно один «Zero». Другие F4F, которыми пилотировали лейтенанты Том Провост и Дж. М. Холфорд, из VF-6 заявили еще один сбитый «Val». В результате на цель вышло семь или восемь пикировщиков, из которых еще два были сбиты огнем зенитной артиллерии. «Yorktown» получил три попадания.
В ходе боя американские истребители сбили 11 пикировщиков и 3 истребителя. Почти все победы пришлись на счет пилотов из VF-3.
Следующий налет силами десяти торпедоносцев «Kate» японцы провели в 14:30. Главной целью противника по-прежнему был «Yorktown». В районе авианосца в этот момент находилось шесть F4F, в том числе три из VF-6. Выше дежурил патруль из состава VF-8. Но какофония, царившая в эфире, не позволила американцам своевременно организовать перехват. В результате звено Дока МакКаски пролетело в 14:34 мимо японских самолетов, не обратив на них внимания. Первый боевой контакт с противником установили Билл Вуллен и Гарри Гиббс. Вуллен сбил один торпедоносец и продолжил полет прямым курсом. Этой ошибкой американского пилота немедленно воспользовался японский истребитель, который сел ему на хвост и пробил маслорадиатор. Гиббс также был сбит. Обоих пилотов из воды подобрали спасательные команды с ближайших кораблей. В свою очередь МакКаски и лейтенант Мелвин Роуч заявили по одному «Zero». Патруль VF-6, круживший на высоте 5400 м, оказался слишком высоко, чтобы перехватить жавшиеся к самой воде торпедоносцы. Перед самой атакой в воздух успели подняться Тач и несколько других пилотов из VF-3. Лейтенант Милтон Тутл даже успел заявить победу над торпедоносцем, но сам попал под дружественный зенитный огонь и был вынужден приводниться. Тач также сбил один «Kate» — ВП-310 капитана Томонаги с «Хирю», но затем и сам был вынужден отрываться от преследования. Билл Леонард также заявил один торпедоносец. Всего американцы заявили 8 «Kate» и два «Zero». В действительности, японцы потеряли пять торпедоносцев и два истребителя. Остальные торпедоносцы провели атаку и двумя торпедами поразили «Yorktown».B тот же день американцам удалось вывести из строя последний боеспособный японский авианосец — «Хирю». 7 июня японская подводная лодка добила поврежденный «Yorktown», Битва у атолла Мидуэй завершилась. Произошел перелом в войне на Тихом океане.