大约又过15分钟，15架B-17轰炸机开始突击。这些“飞行堡垒”从6000米(20000英尺)的高空投放炸弹，结果，双方均未受到什么损伤。当上述美机将要退出战斗时，海军陆战队的第二波突击机群向日航空母舰编队飞去。该机群虽以高速低空接敌，但因日军对空炮火猛烈射击和战斗机进行拦截，无法突防和袭击日航空母舰，便对一艘战列舰进行轰炸。这次依然未中一弹，却有2架飞机在海上迫降，没有返回基地。
中途岛海战中首次交锋的结果，显然对日军有利。中途岛基地已被摧毁，日方军舰尚未受到任何损失，可是美军飞机已经损失了二分之一。正如尼米兹所说：“中途岛上能够有效地给敌舰以打击的机种，诸如战斗机、鱼雷机和俯冲轰炸机等，已损失了大部分。”美国航空母舰就是在这种情况下投入战斗的。
美国航空母舰参战
5时52分，当中途岛派出的侦察机首次报告发现日本航空母舰时，美国航空母舰编队位于日本航空母舰机动编队东稍偏北大约200海里处。弗莱彻立刻命令“大黄蜂”号和“企业号航空母舰向西急进，并指示：“一经查明敌舰位置，立即予以攻击。”这时，“约克战”号航空母舰继续向东航行，以便回收拂晓时起飞执行搜索任务的侦察机。
“企业”号航空母舰上的斯普鲁恩斯决定，在突击机群出击前，继续缩小与日舰队之间的距离。这是为了更加可靠地把日本舰队置于美军鱼雷机的175海里的作战半径之内。这是一个很明智的决定。因为日军实际距离比侦察机所报告的距离约远25海里。7时许，在估计离日本航空母舰150海里处，斯普鲁恩斯命令其舰载机起飞。据他判断，此时日军正为袭击中途岛后返航的飞机加油，这是一个难得的好机会。
在准备发起攻击时，两艘航空母舰拉开了距离，各带若干艘警戒舰只，以免重蹈珊瑚海海战的复辙。在珊瑚海海战中，“列克星敦”号和“约克城”号两艘航空母舰在日机袭击下，临时拉开距离，使警戒幕一分为二，因而出观了空隙。两艘航空母舰之间的距离增大后，“企业”号令33架俯冲轰炸机、14架鱼雷机和10架战斗机起飞。“大黄蜂”号的突击机群由35架俯冲轰炸机、15架鱼雷机和10架战斗机组成。为能尽速实施攻击，斯普鲁恩斯命令“企业”号的轰炸机群，不等鱼雷机群全部升空就向目标飞去。“大黄蜂”号的俯冲轰炸机群和鱼雷机群以两种不同的高度飞行。这样一来，突击机群起飞后至8时前后，就已分成四组分别向日本航空母舰飞去。