אף בתחום המודיעין האסטרטגי התגלו כשלים בתפקוד הצי היפני. הצוללות היפניות שנשלחו לעמדות מערבית להוואי ותפקידן היה לאתר את הצי האמריקני בצאתו מפרל הארבור, יצאו לדרכן מיפן באיחור של יומיים, ולכן נפרסו במקום ההיערכות שלהן רק ב־4 ביוני. בכך החמיצו הצוללות היפניות את כוחות המשימה האמריקנים שיצאו לנקודת המפגש שלהן. אף אם היו יוצאות – ומגיעות ליעדן – בזמן המיועד, סביר להניח שלא היו הצוללות מאתרות את הכוח האמריקני, שכן זה יצא לדרכו בסוף חודש מאי, ובעת הגעת הצוללות כבר היו כוחות המשימה בנקודת המפגש, צפונית־מזרחית למידוויי, והרחק מעבר לטווח הגילוי של הצוללות. בנוסף, ניסיון השיגור של הספינות המעופפות למטרות תצפית על תנועת כלי השיט בפרל הארבור נכשל אף הוא, לאחר שהצוללות היפניות שהיו בדרכן למפגש תדלוק עם הספינות המעופפות גילו שבנקודת המפגש עגנו אוניות מלחמה אמריקניות. כך נכשלו היפנים בהשגת תמונת מצב מודיעינית לגבי מיקום כלי השטח של האויב.
הקרב.
התקפות אוויר ראשוניות.
ביום ה־3 ביוני, בסביבות השעה 09:00, הבחין טייס PBY קטלינה בכוח הפלישה כ־600 מילים ימיים (1,111 ק"מ) מערבית למידוויי, ודיווח עליה בטעות ככוח העיקרי. ב־12:30 המריאו ממידוויי תשעה מפציצי B-17 במטרה לתקוף את הכוח, וכעבור שלוש שעות זיהו ותקפו את נושאות הגייסות של כוח הפלישה, במרחק 570 מילים ימיים (1,055 ק"מ) ממידוויי. אולם, בהתקפה זו לא נרשמו כל פגיעות והשיירה המשיכה בדרכה. מעט לאחר חצות, ה־4 ביוני, ספגה המכלית "אקבונו מארו" פגיעת טורפדו שהטיל מטוס קטלינה. פגיעת הטורפדו גרמה למותם של 11 מלחים ולפציעתם של 13, אך מלבד האטת מהירות ההפלגה, לא נגרם לה נזק כבד.
היפנים החליטו לתקוף את מידוויי בשני גלי תקיפה. ב־4 ביוני, בשעה 04:30 המריא הגל הראשון, שכלל 36 מפציצי צלילה ואל, 36 מפציצי טורפדו קייט, ו־36 מטוסי קרב זירו לחיפוי. באותה עת, הורה נגומו לשגר מטוסי סיור ותצפית שמטרתם הייתה איתור כוחות המשימה האמריקנים. אולם, ארגון הסיורים היה מרושל, מספר המטוסים שהוקצו למשימה היה קטן מדי עבור שטח החיפוש המיועד, ותנאי מזג האוויר באזור הקשו על פעילות המטוסים. אחרון מטוסי הסיור המריא מסיפון הסיירת הכבדה טונה באיחור של 30 דקות. בשעה 05:45 זיהה מטוס קטלינה מטוסים יפנים רבים העושים דרכם לכיוון מידוויי במרחק 150 מילים ימיים (279 ק"מ), וב־05:52 זיהה מטוס קטלינה נוסף שתי נושאות מטוסים יפניות שסיפוניהן ריקים, דבר המרמז על התקפה שיצאה.
כדי להימנע מהפצצתם על הקרקע, המריאו כל המטוסים מבסיסם במידוויי בסביבות השעה 06:00, ובעוד מטוסי הקרב נותרו באזור כדי להתעמת עם מטוסי האויב, פנו המפציצים לתקוף את נושאות המטוסים שלו. הפצצות היפניות הראשונות נחתו במידוויי בסביבות השעה 06:30, ודיוק הטייסים היפנים הביא לכך שמרבית המתקנים הצבאיים באי הושמדו לחלוטין. בקרב האוויר שהתפתח בשמי מידוויי, ונמשך כ־17 דקות, הנחילו הטייסים היפנים תבוסה לטייסים האמריקנים, שאיבדו 15 מטוסי קרב מתוך 28 ושבעה נוספים ספגו נזק כבד. לעומת זאת, הצד היפני איבד שלושה מפציצי קייט ומפציץ ואל אחד. עם זאת, לא השיג גל ההתקפה הראשון את מטרתו. אף מטוס אמריקני לא הושמד על הקרקע, והנזק למסלול ההמראה היה זניח והמסלול נותר שמיש. לפיכך דיווח בשעה 07:00 מפקד גל התקיפה, לוטננט ג'ואיצ'י טומונאגה, שיש צורך בגל התקפה נוסף.
המפציצים האמריקנים שהמריאו ממידוויי החלו לתקוף את נושאות המטוסים של נגומו בשעה 07:05. כוח זה, שכלל שישה מפציצי טורפדו TBF אוונג'ר, 11 מפציצי צלילה וינדיקטור, 16 מפציצי SBD דונטלס, ארבעה מפציצי B-26 ו־15 מבצרים מעופפים B-17, טס ללא חיפוי מטוסי הקרב, שנשארו להגן על מידוויי. את פני התוקפים קיבלו 18 מטוסי זירו שנותרו מאחור כדי לספק הגנה לכוח המהלומה. היפנים, הודות לתמרוני התחמקות ואש נ"מ מרוכזת, הצליחו להדוף את התוקפים ולהימנע מפגיעות, בעודם מפילים חמישה מפציצי אוונג'ר, שני B-26, שמונה מפציצי דונטלס ושני מפציצי וינדיקטור. הטייס הראשון מכוח האוויר של חיל הנחתים האמריקני שנהרג בקרב היה מייג'ור לופטון הנדרסון, שהוביל קבוצה של טייסי מפציצי דונטלס חסרי ניסיון. כאות הוקרה להקרבתו נקרא באוגוסט 1942 שדה התעופה הראשי בגוודלקנל על שמו.
אחד ממפציצי B-26 האמריקנים ספג נזק רב מאש נ"מ בעודו מטיל את הטורפדו שלו. בשל הפגיעה לא סטה המטוס לאחר שחרור הטורפדו והמשיך היישר לכיוון סיפונה של נושאת המטוסים אקאגי. המטוס חלף בגובה נמוך מאוד מעל סיפון ההמראה וכמעט התנגש בגשר הפיקוד, דבר שהיה הורג את נגומו ומטהו באופן כמעט ודאי.
הדילמה של נגומו.
בהתאם לדוקטרינת נושאות המטוסים היפנית, היווה גל התקיפה הראשון מחצית ממצבת מטוסיו של כוח המהלומה, בעוד תפקיד המחצית הנותרת הייתה להמריא ולתקוף את כוח נושאות המטוסים של האויב לכשיתגלה. לפיכך היו מצוידים מפציצי הטורפדו של הגל השני בטורפדו, ולא בפצצות המתאימות לתקיפת מטרות יבשתיות.
בשל ההתקפות החוזרות והנשנות של מפציצים ממידוויי, בשל דיווחו של טומונגאה, ובשל העובדה שבאותה עת טרם נתגלו כוחות המשימה האמריקנים, השתכנע נגומו שיש לשגר התקפה נוספת על מידוויי. לפיכך הורה בשעה 07:15 על מפציצי הטורפדו לפרוק את מטענם ותחת זאת להצטייד בפצצות כנגד מטרות יבשתיות.
כשעה לפני חזרת גל ההתקפה הראשון, בסביבות השעה 07:45, דיווח מטוס הסיור שהמריא בעיכוב מהסיירת טונה על כוח אמריקני כ־200 מילים מזרחית לכוח היפני. הדיווח הגיע לנגומו רק בשעה 08:00 והוא הורה מיד על הפסקת חימוש מפציצי הטורפדו, שבשעה זו כבר היו ברובם חמושים בפצצות, ועל חימושם מחדש בטורפדו. בנוסף, בשל ההתקפות החוזרות והנשנות מן האי, הוזנקו זה מכבר לאוויר כל מטוסי הקרב הפנויים, ולאחר שעות אחדות באוויר הדלק שנותר במכליהם לא הספיק לליווי המפציצים עד למיקום הכוח האמריקני. באותה עת המטוסים היחידים בכוח המהלומה הראשון שעמדו מוכנים היו מפציצי הצלילה.
בשעה 08:20 דיווח מטוס הסיור היפני על נושאת מטוסים אמריקנית אחת, וכעת ניצב נגומו לפני דילמה קשה: האם לשלוח את מפציצי הצלילה לתקוף את כוח המשימה האמריקני ללא חיפוי מטוסי קרב, בידיעה שרובם לא ישובו? או האם לחמש ולתדלק מחדש את כל המטוסים, להדוף את ההתקפה האמריקנית בעזרת מטוסי הקרב שהיו באוויר, ורק אז לשלוח את מטוסיו להתקפה רחבת היקף? במקביל החלו לנחות מטוסי הגל הראשון על סיפון נושאות המטוסים, ונוצר הכרח לפנות את הסיפונים במהירות – בין אם על ידי שליחת המפציצים להתקפה, ובין אם על ידי הורדתם לסיפונים התחתונים להחלפת החימוש. אדמירל משנה טאמון ימאגוצ'י, שפיקד על פלגת נושאות המטוסים השנייה (היריו וסוריו), הציע לתקוף מיד עם הכוח שהיה ברשותם. נגומו, לעומת זאת, שהיה עד להשמדת המפציצים האמריקנים שתקפו את כוחו ללא ליווי מטוסי קרב, בחר באפשרות הזהירה והחליט להוריד את מטוסי הגל השני לסיפונים התחתונים, ולקלוט את מטוסי הגל הראשון ואת מטוסי הקרב תוך כדי נסיגה זמנית, עליה הורה זמן קצר לאחר 08:30.
תקיפת נושאות המטוסים היפניות.
באותה עת כבר עשו מפציצים מנושאות מטוסים אמריקניות את דרכם לעבר כוח המהלומה היפני. פלטצ'ר, המפקד הכללי של כוחות המשימה האמריקניים, הורה לספרואנס לשגר את מטוסיו כנגד היפנים, ושמר על יורקטאון כעתודה עד שישובו אליה מטוסי התצפית שלה. ספרואנס הניח, לאחר שקיבל דיווח על ההפצצה היפנית במידוויי, שנושאות המטוסים היפניות עתידות לקלוט את מטוסי הגל הראשון שלהם בזמן הקרוב. מכיוון שבאותה עת התגלו רק שתי נושאות מטוסים יפניות, ידע שאם ישגר את מטוסיו יהיה חשוף להתקפת מטוסים מנושאות המטוסים היפניות שטרם התגלו. עם זאת, גורם ההפתעה עמד לצידו, וכך גם האפשרות לתקוף את כל נושאות המטוסים היפניות בעוד סיפוניהן עמוסות במטוסים, וספרואנס פקד לשגר את המטוסים מהורנט ומאנטרפרייז בשעה 06:00. בשל עיכובים שונים החלו המטוסים להמריא רק בשעה 07:00, וכשעה וחצי לאחר מכן המריאו המטוסים מיורקטאון. כוח התקיפה האווירי כלל 35 מפציצי צלילה, 15 מפציצי טורפדו ו־10 מטוסי קרב מהורנט, 33 מפציצי צלילה, 14 מפציצי טורפדו ו־10 מטוסי קרב מאנטרפרייז, ו־17 מפציצי טורפדו, 17 מפציצי צלילה ו־6 מטוסי קרב מיורקטאון. סך הכל כלל כוח התקיפה 152 מטוסים.
בשל טעויות בניווט הייתה טייסת בת 15 מפציצי טורפדו מהורנט הראשונה לאתר את כוח המהלומה, בשעה 09:20. אולם, בשל העיכוב באיתור הכוח היפני אזל הדלק במיכליהם של מטוסי הקרב המלוויים והם נאלצו לשוב, בהותירם את המפציצים ללא כל חיפוי. כל 15 המפציצים הופלו לים בלי להשיג ולו פגיעה אחת באוניות היפניות, ורק טייס אחד ניצל. 10 דקות לאחר מכן תקפו שתי טייסות נוספות של מפציצי טורפדו שכללו 26 מטוסים את נושאות המטוסים. גם התקפתם לא הניבה כל פגיעות, וכך, תוך פרק זמן קצר, איבדו האמריקנים מפציצי טורפדו רבים. בסופו של דבר הצליחו שבעה מפציצי טורפדו אמריקנים לשגר את הטורפדו שלהם לכיוון נושאת המטוסים היריו, אך לא נרשמו כל פגיעות.
על אף שהמתקפה האמריקנית נכשלה בהסבת נזק לנושאות המטוסים היפניות, הייתה לה השפעה חשובה. חלק ממטוסי הקרב היפניים, שירדו אל עבר הים על מנת להדוף את התקפת מפציצי הטורפדו מנמיכי הטוס וזינבו באלה המנסים להימלט, לא הספיקו לשוב לאזורי הסיור שלהם על מנת להדוף את האיום החדש. בנוסף, לאחר הקרב עם מפציצי הטורפדו האמריקנים נותרו מטוסי קרב אלה עם מעט תחמושת ומעט דלק, והחלו נוחתים על נושאות המטוסים להצטיידות מחדש.