中途岛的警报与迎击：
05:30左右： 就在日军机群还在途中飞行的时候，一架正在执行扇形搜索任务的美军PBY“卡特琳娜”水上侦察机，率先在雷达屏幕（PBY也装备了早期型号的对海搜索雷达）和肉眼中发现了这股黑压压的敌机！飞行员约翰·L·普劳特少尉立刻用明码向中途岛基地发出了那份改变了历史进程的警报：“发现大批敌机！方位320度，距离150英里，高度约1万英尺！正向中途岛飞来！”（也有一说是“发现两艘日军航母和主力舰队”，但更普遍的说法是先发现了机群。）
警报声凄厉地划破了中途岛上空的宁静！岛上的美军飞机（大约有20多架F2A“水牛”和少量F4F“野猫”战斗机，由海军陆战队航空兵少校弗洛伊德·B·帕克斯指挥）在接到警报后，立刻紧急起飞，迎向来袭的日军机群。但可惜的是，无论是飞机的性能（“水牛”战斗机简直就是“零式”的活靶子）还是飞行员的空战经验，美军的岸基战斗机部队都远远不是那些参加过珍珠港偷袭和南洋作战的日本海军王牌飞行员的对手。空战几乎从一开始就呈现出一边倒的“屠杀”景象，大部分美军战斗机在与“零式”的缠斗中，很快就被击落或击伤，飞行员非死即伤，损失惨重。
地面上，美军的高射炮火也猛烈地向天空开火，试图阻止日军飞机的攻击。但面对高速俯冲和灵活机动的日军飞机，高射炮的命中率相当有限，更多的是起到一种心理上的威慑作用。
空袭中途岛（06:30左右开始）： 突破了美军战斗机拦截的日军轰炸机群，开始对中途岛上的油库、机库、发电厂、飞机跑道、兵营等地面设施，进行了持续约半个小时的猛烈轰炸。岛上一片火海，浓烟滚滚，爆炸声此起彼伏。但幸运的是，美军在中途岛的防御工事（特别是一些关键的地下油库和加固的机库）相对比较坚固，而且在空袭前也进行了一定的疏散和伪装。虽然地面设施遭到了严重破坏，但最重要的机场跑道，在经历了轰炸之后，虽然也布满了弹坑，但并未遭到毁灭性的破坏，经过紧急抢修，仍然能够勉强维持飞机的起降作业。这为后来美军岸基轰炸机能够起飞攻击日本舰队，保留了一线生机。
友永丈市的报告与南云的初判： 第一攻击波指挥官友永丈市大尉，在完成对中途岛的轰炸任务后，驾机在岛上空盘旋侦察了一圈。他看到，虽然岛上浓烟滚滚，火光冲天，但美军的机场跑道似乎并未被彻底摧毁，一些高射炮火也依然在顽强地对空射击。于是，他向旗舰“赤城”号上的南云忠一中将发回了一份至关重要的电报：“对中途岛的轰炸效果不理想，机场跑道仍可使用，防御火力依然猛烈，有必要发动第二次攻击。” 南云在收到这份报告后，又结合了其他一些侦察信息，初步判断，为了彻底摧毁中途岛的航空力量和防御能力，确保后续登陆部队的安全，确实有必要对中途岛发动第二波次的空中打击。
美军航母的反击——鱼雷机队的悲壮“盛宴”（07:00 - 10:00，中途岛时间）：
就在南云的飞机还在轰炸中途岛的时候，远在中途岛东北方向“幸运点”海域埋伏的美军三艘航空母舰，在接到中途岛遇袭和发现日军航母编队（最初的侦察报告可能只发现了两艘，信息并不完全准确）的情报后，立刻行动起来！
美军航母的抉择与仓促出击： 舰队总指挥弗莱彻少将（在“约克城”号上）和TF-16司令斯普鲁恩斯少将（在“企业”号上），当机立断，下令各自的航母编队立刻转向，以最大战速（逆风）放飞攻击机群，扑向已被发现的日本航母！他们知道，这是千载难逢的机会，必须抢在日本人反应过来之前，先下手为强！但是，由于各艘航母的准备情况不同（比如“大黄蜂”号的飞机准备得比较慢），再加上为了尽快起飞，也为了应对可能出现的日本潜艇威胁，导致美军的攻击机群并没有能够像教科书那样，组织起一个统一协调、战斗机、俯冲轰炸机、鱼雷攻击机紧密配合的完美攻击编队，而是分成了好几个批次，从不同的时间和高度，零零散散地飞向了目标海域。这种缺乏统一指挥和协同的攻击方式，为后来鱼雷机部队的悲惨命运，埋下了伏笔。
“大黄蜂”号鱼雷机中队（VT-8）（约09:18-09:40）： 由约翰·沃尔德伦海军中校率领的15架老旧的TBD“蹂躏者”鱼雷攻击机，成为了第一批抵达日本舰队上空的“倒霉蛋”。更要命的是，他们因为在飞行途中与为其护航的F4F“野猫”战斗机失去了联系（据说是因为沃尔德伦固执地认为日军航母会在更南边的位置，而没有听从战斗机编队指挥官的建议，导致双方飞向了不同的方向，战斗机编队最终迷航，未能及时赶到），几乎是在没有任何空中掩护的情况下，绝望地扑向了正在进行高速规避机动的日本航空母舰。这些飞行速度缓慢、机动性差、又缺乏自卫火力的TBD鱼雷机，在日军护航的“零式”战斗机和各舰密集的防空炮火面前，简直就成了活靶子！一架接一架地被击落，拖着黑烟坠入大海。15架飞机，无一幸免，全部被击落！中队指挥官沃尔德伦中校也壮烈牺牲。只有一名年轻的飞行员乔治·盖伊少尉，在飞机被击落后侥幸跳伞落水，爬上了一个救生筏，在海面上漂浮着，亲眼目睹了接下来那场惊心动魄的海空大战。他们的攻击，虽然未能对任何一艘日本军舰造成任何损伤，但他们这种悍不畏死的“死亡冲锋”，却像一块巨大的磁石，将日本航母上空负责警戒的“零式”战斗机（也就是所谓的CAP，战斗空中巡逻队）几乎全部吸引到了低空，为后续抵达的美军俯冲轰炸机，扫清了高空的威胁。
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