与此同时，在美军方面，巡逻机和往常一样，4时15分起飞，B-17型轰炸机也接着升空，以免在地上遭受突然袭击。5时45分，一架PBY型巡逻机用明码报告：“大批飞机正向中途岛飞来，方位320度，距离150海里。”5时50分，中途岛基地雷达站在93海里处捕捉到来袭的飞机。但是，日本的航空母舰在哪里呢？又过了两分钟，中途岛基地指挥官和美国航空母航编队指挥官才得到答案。一架PBY型飞机报告：“在中途岛的320度方位。180海里处发现2艘航空母舰，并有警戒舰只。”但所报告的距离不对，比日军的实际位置少报40海里。这一误差给美军舰载机尔后的战斗带来了困难。接着，在空中待命的B-17型轰炸机立即前去袭击日本航空母舰。同时，在机场待命的陆战队轰炸机、4架B-26型轰炸机和6架TBF型鱼雷机，也起飞去袭击日本航空母舰。
此时，日军飞机已离中途岛越来越近。美国海军陆战队的战斗机在距中途岛30海里的空域与日机遭遇。美军的飞机仅对日军轰炸机进行一、两次攻击就得转攻为守，设法甩掉日军战斗机的追击。因为日本零式战斗机的空战性能远比美军的优越。
中途岛基地的高射炮，待日军机群进入射程后，一齐开火。6时30分，日军飞机投下第一颗炸弹，经过近30分钟的轰炸，地面设施几乎全部遭到破坏。发电场中弹，油罐起火，飞机库被毁，只有飞机跑道幸免于难。空袭结点后，海军陆战队战斗机奉命着陆。然而，着陆的飞机少得可怜，26架中就有16架下落不明，残存的飞机中只有2架可以投入以后的战斗；而日军飞机只有6架未能返回航空母舰。
中途岛美军奋起抗击(6月4日)
中途岛的美军飞机虽对日本航空母舰进行了非常勇敢的抗击，但因兵力不多，且分散，故未取得战果。然而，这次抗击日军入侵还是起了积极作用，使日军在关键时刻犹豫不定，未能很好发挥其舰载机的威力。这样，就使美国航空母舰有了取胜的可能。
7时稍过，B-26型轰炸机和TBF型鱼雷机从低空同时实施攻击，但由于日军施放烟幕，并进行规避运动，加之高炮猛烈射击和零式战斗机进行拦截，美机没有取得任何战果。而且，6架鱼雷机中损失5架，4架B-26型轰炸机损失2架，返回机场的3架飞机也遭到重创，不能参加尔后的战斗。
此后约过1小时，海军陆战队的洛夫顿·亨德森少校率侦察轰炸中队对敌舰实施攻击。这些飞行员刚从航校毕业，毫无俯冲轰炸经验，只好在敌人的抗击下进行危险的下滑轰炸。结果，被攻击的“飞龙”号航空母舰安然无恙，而实施攻击的16架美机只有8架返回中途岛，其中6架也遭到了重创。