הצי האמריקני נהנה מיתרון מכריע בקרב מידוויי: הייתה לו תמונת מצב מלאה לגבי התוכניות היפניות, הודות לפיענוח הצופן בו השתמש הצי היפני. מפענחי הצפנים האמריקנים החלו לפענח הודעות שתיארו הכנות להתקפה על יעד שנקרא AF, אך לא הצליחו לקבוע בוודאות שהיעד הוא מידוויי. תמונת המודיעין ערב קרב מידווי יכולות המודיעין הימי המשופרות ב"קרב האלמוגים" חיזקו את מעמדם של אנשי המודיעין בפרל הארבור בעיני אדמירל נימיץ. הדבר העניק לפיקוד האמריקאי באוקיינוס השקט תחושת ביטחון, שיש על מי לסמוך. בעוד אדמירל ימאמוטו נרתם לכיבוש מידווי, החלו אנשי המודיעין הימי בפרל הארבור לקלוט רסיסי מידע וסימנים מעידים עם אינדיקציה ש"דבר מה גדול הולך ומתבשל" בצי היפני. תחנת "היפו" (HYPO) בפרל הארבור זיהתה באפריל 1942 כי במקביל למתקפה הצפויה בים האלמוגים, נערכות בצי היפני הכנות למתקפה גדולה יותר. מתקפה זו, למיטב תחושותיו של סא"ל ג'וזף רושפורט, ראש המערך ההאזנה בתחנת "היפו", התהוותה הרבה לפני שנורו היריות הראשונות בקרב ים האלמוגים. כך, בין היתר, ב־27 באפריל התעניינו היפנים במפות איי האלאוטים; ב־4 במאי קיבלה ספינת קרב יפנית שדר, שלפיו סיום התחזוקה שלה ב־21 במאי מונעות ממנה להצטרף "למסע"; ב־6 במאי אימץ נימיץ ביומנו את הערכת רושפורט שלפיה הפעילות חורגת מהכוונות המוצהרות של היפנים לכיבוש האיים אושיאן ונאורו. באותו היום התקבל אצל רושפורט רמז נוסף: תשדורת בין כוח צוללות יפני למפקדה לקבלת גבישים למכשירי קשר, לשם תקשורת עם כלי טיס לקראת פעילות "מבצע" K. לאור פעילות דומה שאותרה במרץ, הוערך כי בכוונת היפנים להפעיל שוב מטוסי סיור מעל מידווי. מחשש לניסיון חוזר לגיחת סיור, הנחה נימיץ למקם כלי שיט צבאיים באזור ולהיערך להנחת מוקשים ימיים בקרבת השונית "הצרפתית". ב־7-8 במאי התבררו תוצאות קרב ים האלמוגים. בארצות הברית נפגעה נושאת המטוסים "יורקטאון" וליפנים ניזוקו שתי נושאות מטוסים. ב־7 במאי יירט רושפורט זימון של קציני צי בכירים בצי המאוחד היפני לתדרוך חצי חודשי, ולמחרת יירט רושפורט תשדורת של משחתת כלשהי, המתנצלת שלא תיטול חלק ב"מערכה הקרובה". ב־9 במאי יורטה תשדורת המנחה את כוח המשחתות, שנועד ללוות את נושאות המטוסים ואניות המערכה של "המבצע", לעזוב את נמל יוקושוקה ב־17 במאי. סימנים אלה עוררו חששות במוקדי המודיעין של ארצות הברית, שהיפנים זוממים דבר מה גדול, אלא שחסרו כמה נתוני ליבה ודאיים, בהם יעד מבצע MI, מטרתו ועיתויו המדויק. רושפורט ולייטון העריכו כי יפן מתכוונת לכבוש את האי מידווי בטווח הזמן שמסוף מאי ועד עשרת הימים הראשונים של יוני. אלא שמרכז המודיעין הימי בוושינגטון והמרכז המקביל בפרל הארבור היו חלוקים בדעתם לגבי פרטי התקיפה. המחלוקת השפיעה על החלטות הפיקוד והערכות המצב במוקדים השונים.
שאלת היעד היפני התעוררה כשהחלו להצטבר סימנים מעידים במרץ 1942 – עוד לפני שהמטה הקיסרי היפני אישר את הרעיון של ימאמוטו לכיבוש מידווי הופיעה בתשדורות הצי היפני מילת הקוד AF. כבר אז העריכו אנשי תחנת "היפו" כי המדובר באי מידווי, אולם בוושינגטון גרסו כי מדובר בהוואי, ואולי אף במתקפה על יעד בחוף המערבי של ארצות הברית. ככל שהלכו והצטברו הידיעות קיבל נימיץ את הערכת אנשיו והחליט להיערך למתקפה על מידווי. וושינגטון המשיכה להיות מסויגת באשר ליעד. כדי להסיר ספק מקרבם, יזם צוות המודיעין של פרל הארבור "תרגיל" הונאה. בישיבת הבוקר של בכירי תחנת היפו ב־19 מאי הזכיר ג'ספר הולמס, אחד מעוזריו של רושפורט, את קיומה של תחנה להתפלת מי הים באי מידווי 13. לעוזר אחר, פייניגן ז'וזף, ניצת רעיון: לשדר באמצעות הכבל התת־מימי הנחיה למפקד חיל המצב במידווי, לשלוח מסר בלתי מוצפן על מחסור במים בשל תקלה בתחנת ההתפלה. הוא העריך כי תחנת ההאזנה היפנית תיירט את השידור מיידית. רושפורט, תוך מידור מוחלט אפילו של אנשיו, החליט ללכת עם הרעיון. בו ביום הוא נפגש עם הקמ"ן לייטון, שנדבק בהתלהבות. לאחר שקיבלו את ברכתו של אדמירל בלוך, מפקד מחוז 14 שהיו כפופים לו מנהלתית, שטחו את הרעיון בפני אדמירל נימיץ – שמיהר לאשרו. הרעיון מומש מיידית. תוך זמן קצר קלטו היפנים את השדר הגלוי ושעטו עליו כמוצאי שלל רב או כמו שהתנסח הולמס: "בלעו את הפיתיון כמו דג ברקודה רעב". בתוך שעות נקלטה תשדורת יפנית מוצפנת שלפיה מפקד כוח הפריסה האווירי היפני, שעמד לאייש את שדה התעופה במידווי, דרש ממפקדתו להיערך לאספקת מים לחירום - הוכחה חותכת שהיעד הוא מידווי. הגם שתחנת "היפו" קלטה את תשדורות התגובה היפניות, רושפורט בתבונתו הרבה העדיף שאת עדכון גורמי ההאזנה בוושינגטון תבצע תחנת "בלקונן", שגם יירטה במקביל את התשדורות. בוושינגטון, במלבורן ובתחנת היפו עצמה לא היו מודעים לתרגיל ההונאה.
פענוח צופן הצי התברר יעיל במיוחד כשמספר ימים לפני ההתקפה מסר מפקד יחידת המפענחים לאדמירל צ'סטר נימיץ, מפקד הצי האמריקני באוקיינוס השקט, את סדר הכוחות היפני ואת תוכנית הקרב היפנית. נימיץ העריך שבשל ריחוק יחידות השטח מכוח נושאות המטוסים לא תהיה הגנת הנ"מ של היפנים אפקטיבית לחלוטין, וכי שילוב מטוסי נושאות המטוסים האמריקניות עם המטוסים במידוויי יציב את הכוח האווירי האמריקני בשוויון מול הכוח האווירי היפני.
ההכנות האמריקניות.
לאחר ההתקפה על פרל הארבור הוחלפו רבים ממפקדי הצי האמריקני, ונימיץ מונה למפקד כוחות הצי האמריקני באוקיינוס השקט במקומו של אדמירל האסבנד קימל. האמריקנים לא קפאו על שמריהם וביצעו מספר התקפות נגד היפנים, בהן פשיטת דוליטל, תקיפת איי שלמה, והגנו על גינאה החדשה בקרב ים האלמוגים.
בעקבות הפגיעה החמורה באוניות המערכה האמריקניות בהתקפה על פרל הארבור, נותרו האמריקנים ללא כוחות ראויים, למעט מספר נושאות מטוסים שלא נפגעו, ונימיץ החל לקבץ אותן בהוואי. תחת פיקודו נמצאו כוח המשימה של תת־אדמירל ריימונד ספרואנס, שכלל את נושאות המטוסים אנטרפרייז והורנט, וכוח המשימה של אדמירל־משנה פרנק ג'ק פלטצ'ר, שכלל את נושאת המטוסים יורקטאון, ששבה עם נזקים כבדים מקרב ים האלמוגים, אך חזרה לפעילות תוך מספר ימים משובה לפרל הארבור לאחר שצוותי התיקון עמלו במשך 72 שעות רצופות, לפקודתו של נימיץ. את מטוסיה של יורקטאון שאבדו בקרב ים האלמוגים החליפו טייסות חדשות של מפציצי צלילה ושל מפציצי טורפדו, וכן נוספה טייסת חדשה של מטוסי קרב מדגם F4F ויילדקט.
תוכנית הקרב של נימיץ קראה לניצול היתרון הכפול שבגילוי תוכנית הקרב היפנית, והעובדה שהיפנים לא היו מודעים לדבר הגילוי. נימיץ חילק את כוחותיו לכוח משימה 16, בפיקודו של ספרואנס, שכלל את נושאות המטוסים הורנט ואנטרפרייז, והיה מיועד להיות כוח התקיפה העיקרי, וכוח משימה 17, בפיקודו של פלטצ'ר, שכלל את נושאת המטוסים יורקטאון. כוח משימה 16 יצא מהנמל ב־28 במאי, וב־30 במאי יצא כוח משימה 17 מהנמל, לאחר שיורקטאון תוקנה בצורה מספקת. שני כוחות המשימה הפליגו לנקודת המפגש שכונתה "נקודת המזל" (Point Luck), שנמצאה כ־1,400 מילים צפונית־מזרחית להוואי, וכ־325 מילים צפונית למידוויי. מנקודה זו, העריך נימיץ, יוכלו מטוסי נושאות המטוסים לתקוף את אגפו של כוח המהלומה של נגומו בעודו מתקרב למידוויי.
על כוחות הצי האמריקני פיקד אדמירל נימיץ מבסיסו שבפרל הארבור, ובקרב השתתפו הכוחות הבאים:
בסך הכל עמדו לרשות האמריקנים 233 מטוסים על נושאות מטוסים, 15 מטוסים פחות מהמספר שעמד לרשות נגומו וכוח המהלומה הראשון.
נוסף על כך, ביצרו האמריקנים את המתקנים הצבאיים במידוויי, הוסיפו סוללות נ"מ, ושלחו לאטול ארבע טייסות PBY קטלינה, 31 מטוסים, למשימות סיור ארוכות טווח, ושישה מפציצי טורפדו חדישים מדגם TBF אוונג'ר. לחיל הנחתים באטול היו 19 מפציצי צלילה מדגם SBD דונטלס, שבעה מטוסי קרב מדגם F4F ויילדקט, 21 מפציצי SB2U וינדיקטור, ו־21 מטוסי קרב F2A בפאלו. חילות האוויר של צבא ארצות הברית העבירו לאטול 17 מפציצי B-17 מבצר מעופף וארבעה מפציצי B-26 מרודר. בסך הכל חנו באטול מידוויי 126 מטוסים.
ההאזנה המושטת יושמה לראשונה באופן מבצעי בקרבות הימיים שהתרחשו מהמחצית הראשונה של 1942. אחד החלוצים בתחום היה רס"ן ביארד פורסט, בלשן ומפענח צפנים של הצי היפני, שהוצב בפברואר 1942 על גבי נושאת מטוסים "יורקטאון" כקצין האזנה. לו ולמקביליו הייתה תרומה רבה להצלחה בקרבות ים האלמוגים ומידווי.
ההיערכות היפנית.
בקרב ים האלמוגים טובעה נושאת המטוסים הקלה שוהו, ונושאת המטוסים שוקאקו ספגה שלוש פגיעות ושבה ליפן לתיקונים. אף על פי שנושאת המטוסים זואיקאקו לא נפגעה במהלך הקרב, כוחות האוויר שלה ספגו פגיעה קשה, ולאחריו היא עגנה במספנת הצי בקורה בהמתנה לתחלופת צוותי האוויר והמטוסים. ייתכן שניתן היה לשלוח את צוותי האוויר של שוהו ושוקאקו כדי להשלים את מצבת כוח האדם בזואיקאקו, אך בניגוד לטייסים האמריקנים שהתאמנו ברמת הטייסת, הטייסים היפנים נחשבו חלק אורגני מנושאת המטוסים, ולא היה נהוג להעביר מטוסים וטייסים מנושאת מטוסים אחת לאחרת.
לפיכך, איבדה פלגת נושאות המטוסים קידו בוטאי שתי נושאות מטוסים (זואיקאקו ושוקאקו), ונגומו נאלץ לצאת למידויי עם ארבע נושאות מטוסים בלבד: קאגה, אקאגי, היריו וסוריו.
מטוסי התקיפה העיקריים ששימשו את נושאות המטוסים היפניות היו מפציצי צלילה מדגם D3A1 "ואל", מפציצי טורפדו מדגם B5N2 "קייט", ומטוס הקרב A6M "זירו". אולם, יצור שני המפציצים נפסק, עובדה שהקשתה על השגת חלקי חילוף, ובנוסף, המטוסים שהיו עתידים לקחת חלק בקרב היו פעילים ברציפות מחודש נובמבר 1941, עובדה שהשפיעה על בלאי המטוסים ועל עייפות הטייסים.