應當說，南云的這個計劃不是沒有道理。從當時雙方的兵力對比上看，南云占有很大優勢，如果他真的能夠把全部兵力同時投入一次大規模的攻擊中去，那是不難把美軍擊垮的。但是，南云在考慮這個方案時，忽視了一個重要因素——時間因素，他沒有認真想一想，時間是否允許他這樣做。從戰史上看，戰役戰斗的勝利並不總是屬于力量強大的一方，往往是屬于能更迅速果斷地應付意外情況並能更迅速地抓住瞬間即逝的戰機的一方。中途島之戰再次證明了這一真理。
最後，南云作出決定，首先收回空襲中途島和執行戰斗巡邏任務的飛機。
于是，疲憊不堪的地勤人員開始再次把水平轟炸機送到下邊的機庫，以便騰出甲板好讓在空中的飛機降落。同時，他們開始按照新的命令，在機庫里重新卸掉炸彈，再裝上魚雷。地勤人員們大聲喊道：“加把勁！這好像是在搞一場卸下魚雷換上炸彈，再卸下炸彈換上魚雷的比賽啊！”
在返航的飛機一架接著一架降落在飛行甲板上的時候，機庫里也在拼命地趕著給水平轟炸機重新裝雷。只穿著短袖襯衣和短褲的地勤人員匆忙地卸掉重磅炸彈，來不及把卸下的炸彈送回到下面的彈藥庫去，只好暫時堆放在機庫旁邊。而這些隨便放置的炸彈，到後來在美機來襲時竟成了“赤城”號的奪命彈。
8點55分，收回飛機的工作將近完成時，南云開始發出指令，執行他的計劃的其余部分。他向各艦發出了一個燈光信號，下令：“收機作業完成後我部隊暫時向北航駛。我們計劃接觸並殲滅敵機動部隊。”
在發出上述命令的同時，南云向“大和”號上的山本海軍上將和指揮攻略部隊的近藤海軍中將發報，向他們報告新的緊張情勢。電報說：“8點正，發現敵航空母艦1艘，巡洋艦5艘和驅逐艦5艘。敵方位010度，距離中途島240海里。我們將駛向敵人。”
9點18分，中途島攻擊隊和進行戰斗巡邏的戰斗機全部收回。南云部隊的航向改為030度。為了減少中途島岸基飛機的威脅並取得對美艦隊的有利陣位，艦隊的航速增加到30節。
這時，航空母艦上的地勤人員忙于給剛剛降落的飛機加油、補充彈藥，只需1個小時的時間，南云的100多架飛機組成的攻擊部隊就可以全部准備完畢，去攻擊美軍的航空母艦特混編隊了。但是，就在這1個小時內，戰局卻急轉直下，出現了令人震驚的變化。
當美軍中途島派出的偵察機首次報告發現日軍航空母艦時，航空母艦編隊正位于日軍航空母艦編隊東北方向大約200海里處。兩支航空母艦編隊的總指揮官弗萊徹將軍立刻命令“大黃蜂”號和“企業”號航空母艦“向西南急進，一經查明敵航空母艦位置，立即予以攻擊”。而此時“約克城”號由于派出搜索敵人的10架艦載機還都未返艦，弗萊徹將軍本人則率“約克城”號等艦逆風徐徐東進，以便收回派出搜索的飛機，在回收偵察機後隨後跟進。
斯普魯恩斯在美國海軍中以老謀深算而著稱。他認為，只有將敵我之間的位置縮小到適宜距離，並選擇一個有利的戰機令突擊機群起飛，才能取得最大的戰果。因此，他沒有急于令他的艦載機起飛，而是暗暗地等待著時機。
大約7時，斯普魯恩斯推算他的艦隊距南云部隊大約還有150海里，而且他估計襲擊中途島的日機群這時候即將返回母艦加油裝彈。斯普魯恩斯認為攻擊的絕好機會到了，遂下令艦載機開始起飛。
在一陣震耳欲聾的飛機發動機轟鳴聲之後，35架轟炸機和15架魚雷機離開“大黃蜂”號母艦，在10架戰斗機的護衛下，從兩種不同的高度，首先向南云編隊所在的水域飛去。
緊接著，“企業”號的33架俯沖轟炸機和14架魚雷機陸續升空，在10架戰斗機的護衛下，一前一後向目標飛去。這樣，美軍共起飛117架飛機，分為4個機群飛向預定目標。
當弗萊徹所率的第17特混編隊將派出搜索的飛機全部收回後，便立即掉頭向西南急進，前去追趕斯普魯恩斯所率的第16特混編隊。
弗萊徹在追趕斯普魯恩斯時，知道“大黃蜂”號和“企業”號上的117架飛機已經升空。這時他想，根據敵情通報得知，襲擊中途島的日軍航空母艦共為4至5艘，到目前為止僅僅發現2艘，因此不能把全部的力量都用出去，否則一旦發生意外情況，將無以應對。他決定將“約克城”號艦上的飛機留下一半，以准備對付尚未發現的敵航空母艦。
于是，他命令“約克城”號艦長以二分之一的艦載機投入戰斗。這樣，又有6架戰斗機、17架轟炸機和12架魚雷機從“約克城”艦上起飛，編成一隊。這是美方派出的第5個機群。
南云的編隊收回攻擊中途島的飛機後，加速向北航進。過了不久，上述幾群美機便陸續趕來。可是，最先飛抵指定海域上空的“大黃蜂”艦轟炸機群卻未發現目標。這是為什麼呢？原來，南云艦隊已向北移，而美軍機群從高空接敵，低云影響觀察目標，再加上美軍搜索飛機所報的目標方位本來就有誤差，所以與南云部隊擦肩而過。
這群美機在預定海域沒有找到目標，便繼續向西南搜索，這樣正好與南云的艦隊背道而馳，越跑越遠，始終沒能發現南云部隊。後來，這35架轟炸機中有21架返回母艦，11架由于燃油將盡被迫飛至中途島降落，3架在中途島機場著陸時撞毀。為這群飛機擔任護航的戰斗機，因燃油耗盡全部在海上迫降。
從“大黃蜂”艦上起飛的美軍魚雷機群，采取的是低空接近目標的方式。因在云層之下飛行，可以看到較大范圍內的目標。大約9時20分，魚雷機群發現了南云的航空母艦編隊。然而此時，這批魚雷機群已與美戰斗機群失去聯系，在沒有戰斗機掩護的情況下，帶隊的沃爾德倫海軍少校仍然勇敢地率領他的機隊向日軍艦隊發起了攻擊。
可是，此時日軍的數十架“零”式戰斗機正在日軍艦隊上面低空盤旋，把艦隊防護得如鐵桶一般。
美軍的魚雷機又笨又慢，在日軍戰斗機的攔擊下，15架美機在投射魚雷之前全部被擊落，30名空勤人員中只有一人幸存。
十幾分鍾後，從“企業”號上起飛的魚雷機群飛抵南云部隊上空。這14架艦載機分為兩組，准備從“赤城”艦的左右兩舷實施魚雷攻擊。日艦迅速轉向規避，把美機甩開，使其未能投雷。這批美機因無戰斗機掩護，遭到20余架“零”式戰斗機的凶猛打擊。結果，有10架美機還未投射魚雷就被擊落了，其余4架雖然投射了魚雷，但是無一命中目標，僅有1架返回了母艦。
從“企業”號航空母艦上起飛的轟炸機群，也和“大黃蜂”號的轟炸機群一樣，飛到預定海域沒有發現敵人。但是，帶隊的克拉倫斯·韋德·麥克拉斯基海軍少校決定進行方形搜索，首先向北飛行。借用美國太平洋艦隊總司令尼米茲的話說，這是“此次海戰中最為重要的一個決定”。約于10時15分，麥克拉斯基的機群終于發現了南云部隊。