報務篷里，為了防止人的無線電干擾，保證通信聯絡的暢通，報務員們絞盡了腦汁。他們估計他們使用過一段時間的頻率已為日方掌握，所以在過去的四五天當中，他們經常變換電台頻率。他們准備了四五種頻率，當必須打破無線電靜默時，就立即換用在該地區從未使用過的某一頻率。不到萬不得已，不使用所謂“作戰頻率”。為了進一步迷惑日本人，報務員們還把過去兩個月中的報務日志打亂，然後由值班人員在白天不定期地向機場發送一二個從日志上任意摘取的段落。這樣表面上看起來一切如常。這些辦法很有效，因為日本人整個白天都不干擾了。這樣，一旦戰斗打響，指揮所中臨時設立的戰斗機指揮官就可以根據雷達和巡邏機提供的情報，放手地通過電台來指揮空中的戰斗機了。
沙島和東島的雷達站也做好了充分戰斗准備。指揮所里的標圖設備就是一張桌子，上面標出360度方位以及150海里的區域，把桌面中央定為中心，從圓心架出一個支臂，臂面上標著海里數。當雷達捕捉到飛機亮點的方位和距離後，標圖員就將支臂轉動，使之與方位重合，從而可以很快知道亮點的位置和具體坐標。
5時20分，駕駛“卡塔林納”式4V58號機的霍華德·P.艾迪中尉和副駕駛員莫里斯·史密斯少尉報告：“發現一架來曆不明的飛機。”這份報告並沒有引起人們的注意，中途島仍然沉浸在令人不安的寂靜中。
但是，僅僅10分鍾後，他們又發來的一份電報：“發現一艘航空母艦，方位320，距離180。”
中途島立即行動起來了。偵察機待機室傳出所有偵察機立即發動的命令，戰斗警報和作戰命令在最短的時間內下達到了陸軍、海軍和陸戰隊的各航空人員，第6守備營也下令其高射炮群“向所有判明為非我方的飛機開火”。
5時45分，各機的乘員各就各位，打開無線電，並完成了暖機。
這時，被尼米茲稱為“此次戰斗中最重要的敵情”被發現了。
3V58號機的威廉·A.蔡斯少尉正駕機進行偵察飛行，他的觀察員W.C.科貝爾少尉突然發現兩批45架飛機正在逼近。這兩名偵察員異常激動。與此同時，他們也清醒地意識到，在這個時候爭速度搶時間比保密更為重要，于是他們沒有加密，直接用明語報告了敵情：“很多飛機正飛向中途島，方位320度，距離150。”
5時52分，蔡斯又報告說，發現“兩艘航空母艦及主力艦只，以航空母艦為先導，航向135，航速35”。
蔡斯報告後1分鍾，沙島的雷達站報告：“敵機數架，距離93海里，310度，高度1.1萬英尺。”
幾分鍾後，沙島雷達站又報告說：“敵機不是數架，而是許多架！”
刹那間，中途島響起了一片空襲警報聲。待命中的各種戰斗機相繼升空。
帕克斯的第1分隊旋即升空，柯廷的第4分隊緊接著起飛。接著，凱里率領“野貓”式機起飛。馬里恩·E·卡爾上尉及其僚機克萊頓·M.坎菲爾德少尉也隨後起飛。
與此同時，阿米斯特德已率領本分隊6架“水牛”式機升空，盤旋待命。
這時，雷達熒光屏上已經很清楚地顯示出日本機群的情況。日本飛機飛得很高，成一個批次直逼中途島而來。
于是，中途島命令阿米斯特德和亨尼西轉向320度，這樣他們就能夠助同伴一臂之力。
凱里的3架“野貓”式最先與來犯日機遭遇。凱里飛得較高，而且目光敏銳，他先發現了敵人。
6時12分整，凱里抓起報話機喊道：“發現目標！鷹在十二！”這是在告訴中途島場站以及其他，他在1.2萬英尺高空發現了轟炸機。
這批日機可能是“飛龍”號和“蒼龍”號的高空轟炸機。當初從母艦上起飛時共18架，但其中一架因發動機出了故障，中途被迫返航。
凱里發現，敵戰斗機並不像人們所料想的那樣在機群前為轟炸機開路，而是飛得比轟炸機稍後略偏高。這就使凱里得以迅速向日軍轟炸機發起攻擊，而且不至于被“零”式機追上。
凱里駕著“野貓”式戰斗機一個平穩的橫滾，呼嘯著俯沖下去。他在瞄准具中牢牢地抓住一架領隊機。此時，他的飛機突然遭到攻擊，擋風玻璃被子彈打裂。但他全然不顧，聚精會神地按動了發射器。只見那架敵機瞬間在空中爆炸。
凱里迅速拉出“V”形，直沖向上，一個外側滑急轉彎，向敵飛機編隊的後部飛去。他再次高速飛回時，飛機被一架敵轟炸機尾部機槍擊中，鋼鐵碎片飛進了他的雙腿。
坎菲爾德一路隨著凱里，他全力對付敵第二隊的第三號機，直到親眼看著它爆炸並起火墜落。在發起攻擊過程中，他發現幾架日本戰斗機從左側成一路向他俯沖過來。為甩掉這些“零”式機，他飛向大約5海里外的一朵大云彩，繞著云彩飛了一圈後，他回頭一看，只見一架日本轟炸機拖著一道長長的黑煙正在海面上燃燒。敵戰斗機已經看不見了，于是他追上了正在歪歪扭扭地向中途島方向飛行的凱里。
凱里雙腿負傷，疼痛鑽心，無法正常踩方向舵。坎菲爾德擔負起領航的責任，引導他的上級一路借助云層的掩護返航。凱里兩腿血肉模糊，疼痛難忍，有兩次幾乎昏厥過去，但他以頑強的毅力繼續向前飛。
坎菲爾德率先降落，飛機剛停止滑行，他就從機艙里跳了出來，剛好在日本人空襲前跳進了掩體。凱里緊跟著降落，但飛機著陸時他覺得無法駕馭它，因為他無力踩刹車，加之飛機的兩個輪胎已被打破，他的飛機滑出跑道，撞進一個飛機掩體。有兩個人跳上去，把他從飛機里拉出來，拖到掩體後面。他們剛躲到掩體後不久，日軍的炸彈就落了下來。
與此同時，卡爾向敵機群開了火。他剛想回頭看看戰績如何，卻發現好幾架日本“零”式戰斗機尾隨上來。他大吃一驚，趕緊加大油門，筆直向下俯沖。日機追到3000英尺高度就不再追了，顯然是擔心如不能及時恢複水平飛行就有墜入大海的危險。