中途岛海战是指日美两军于1942年6月上旬进行中途岛——阿留申群岛战役期间，在中途岛及其附近海域所发生的几次战斗。日军大本营在太平洋战争第1阶段顺利占领东南亚等广大区域后，研究第2阶段作战方针时决定继续实施进攻。
于是，联合舰队提出的中途岛作战计划便被采纳。日军的主要企图是；第一，占领中途岛，使之成为日航空兵的前进基地，以便将巡逻警戒范围向东扩展，能够提早发现从夏威夷出动的美太平洋舰队；第二，乘机诱出敌舰队，并将其歼灭。山本联合舰队司令长官则主要着眼于攻其必救，引敌出动。他认为中途岛是夏威夷群岛的门户和屏障，该地告急，美舰队必会驰援，于是便可将其捕捉，并加以歼灭。
研讨这项方案时，根据军令部的主张，又追加了攻占阿留申群岛西部要地的行动，从而形成一个庞大的中途岛-阿留申群岛战役计划。
为了夺取这场大规模海上决战的胜利，日联合舰队几乎倾巢出动，将其投入的兵力主要编为5个战术编队：
（1）先遗编队——辖有潜艇18艘、轻巡洋舰1艘和潜艇供应舰2艘，由第G舰队司令官小松海军中将指挥。各潜艇皆须出发，1艘去中途岛侦察敌情，6艘去北太平洋配合对阿留申西部要地的进攻，11艘负责在中途岛与夏威夷群岛之间建立两条警戒线，以便当美太平洋舰队出动时以及时向指挥部报告。
（2）登陆编队——辖有战列舰2艘、轻型航空母舰1艘、水上飞机母舰2艘、重巡洋舰8艘、轻巡洋舰2艘、驱逐舰21艘、补给船10艘、运输船13艘，以及扫雷艇、猎潜艇、护卫艇等各若干艘，由第2舰队司令官近藤海军中将指挥。其中的登陆输送队负责遣送5800名地面部队于登陆日清晨在中途岛实施突击上陆，海上支援队进至中途岛附近准备粉碎美舰队的反击。
（3）机动编队——辖有航空母舰4艘、战列舰2艘、重巡洋舰2艘、轻巡洋舰1艘、驱逐舰12艘、补给船8艘，由第1航空舰队司令官南运河海军中将指挥。在登陆天于中途岛实施突击上陆的前3日，即在登陆编队进入中途岛美机巡逻半径之前，由机动编队以舰载机袭击中途岛，歼灭其航空兵力，使之不能出击。尔后，进至中途岛以北海域，进一步压制岛上的航空兵，猛烈攻击岛上的防御设施，以支援登陆部队的上陆战斗；同时，还要做好进行空战的准备，以防止敌航母特混编队进行反击。
（4）主力编队——辖有战列舰7艘，轻型航空母舰1艘、水上飞机母舰2艘、轻巡洋舰3艘、驱逐舰21艘、补给船3艘，由联合舰队司令长官山本海军大将直接指挥。登陆部队开始上陆时，这支主力编队应进至中途岛西北约600海里水域。山本的如算盘是：待美太平洋舰队获悉中途岛遭到攻击时必来支援，这时主力编队已进至中途岛附近，便可捕捉敌人，实施决战，并将其歼灭。
（5）北方编队——辖有航空母舰2艘、水上飞机母舰1艘、巡洋舰5艘、驱逐舰14艘、潜艇6艘及其他的舰艇若干，其任务是攻占阿留申群岛西部要地和牵制、迷惑敌人。
上述舰艇计有战列舰11艘、航空母舰8艘、水上飞机母舰5艘、巡洋舰22艘、驱逐舰68艘、潜艇24艘、补给船和运输船各21艘，加上扫雷艇、猎潜艇等，共达190余艘，皆于5月下旬出海分别驶向战场。另有驻威克岛等地的岸基航空兵负责提供空中支援。
由于美军这时已能破译日海军的密码，其太平洋舰队司令部至5月中旬已基本掌握了有关日军此次进攻的目标、使用兵力、行动部署等重要情况。美军立即向中途岛增派兵员，补充武器弹药，加修飞机跑道等，积极进行准备。至6月3日，在中途岛上共有各种飞机120架、官兵约3000人，在水际滩头布有铁蒺藜等障碍物，若干鱼雷艇群昼夜在近海巡逻，还由潜艇部队在海上布成3道警戒线。尽管如此，没有海上部队的有力支援，还是难以守住这个孤岛。
因此，太平洋舰队总司令尼米兹命令在南太平洋作战的航母编队火速返回夏威夷。以“企业”号、“大黄”号2艘、2艘航空母舰为核心的第16特混编队和以“约克城”号航空母舰为核心的第17特混编队，于5月26日和27日回到珍珠港。
为了提前进入战场待机，第16特混编队补充燃油弹药后，在斯普鲁思斯海军少将指挥下，5月28日从珍珠港起航；第17特混编队因“约克城”号在珊瑚海海战中受创，急需抢修，帮推迟两日，在弗莱彻海军少将指挥下，于30日起航驶往战场。这两支编队在日潜进入警戒线之前已从那里通过，所以日军对此毫无察觉。6月2日，美第16、第17特混编队在中途岛东北海域会合，由资深的弗莱彻将军统一指挥，准备随时袭击日军的航母编队。
6月3日晨，美巡逻机在中途岛西南约700海里处发现日大型编队。但美航母编队指挥官正确判断出它是登陆编队，仅严阵以待，而未出击。中途岛上的岸基航空兵曾去攻击，但无战果。
4日晨，日机动编队从西北方向接近到约高中途岛240海里处，南云令其突击机群起飞，前去轰炸中途岛。此后不久，南云编队及其突击机群皆被美机发现。中途岛美军指挥部以一部飞机拦截来袭的日机，派另一部去袭击日航空母舰。日机飞临中途岛上空时，岛上美机都已出动。由于守军已有准备，其航空兵力未受损伤，飞机跑道也未受到严重毁损，日机仅仅轰炸了机库、油罐和发电所等设施。因此，友永大尉向指挥所报告：需要进行第2次攻击。
4艘日航空母舰派出第1突击机群后，立即开始为第2突击机群的出动进行准备。攻击目标为美航空母舰，该突击机群由“赤城”号、“加贺”号的全部攻击机和“苍龙”号、“飞龙”号的全部轰炸机和每舰6架的战斗机组成。其中攻击机一律挂载鱼雷，共103架舰载机已在飞行甲板上准备就绪。
中途岛海战航母编队交战示意图可是，派出的7架侦察机却无1架发现敌人的海上编队。就在这时，南云收到友永要求再次攻击中途岛的报告。接着，从中途岛起飞的美机临空，一批接一批地对日机动编队进行多次攻击，虽未取得战果，却促使南云改变了决心。他认为既然未发现敌舰队，对岸攻击任务又未完成，那就只好再空袭击中途岛了。于是下令在甲板上待命的攻击机卸下鱼雷，挂上800公斤的炸弹，轰炸机队用250公斤炸弹，准备攻击地面目标。
10余分钟后，“利根”号派出的搜索飞机报告：中途岛10度方位、240海里处有10艘军舰。虽然尚未查明其中有否航空母舰，可是为了防备万一，南云还是准备攻击海上敌人，遂令攻击机仍挂鱼雷。
这时，几十架攻击机上的鱼雷已经卸掉，舰员们正忙于挂弹，接到再换鱼雷的命令又开始卸弹，甲板上忙乱不堪。不久，袭击中途岛的机群纷纷归来，急需腾出飞行甲板使其降落。面对这种情况，南云决定：首先收回第1突击机群的飞机，然后向北撤离，待挂完鱼雷做好准备后，再去攻击海上之敌。
美航母编队指挥官于是日晨根据巡逻机的报告，已知日机动编队的大体位置，相距约200海里。美舰载鱼雪机的作战半径仅为275海里，而且派出侦察的10架飞机均未返舰。因此，弗莱彻率第17待混编队徐徐东进，以便收回派出侦察的飞机，而令第16特混编队立即西进接敌。当离南云编队不过170海里，袭击中途岛的日机开始返航后，斯普鲁恩斯认为出击的有利时机已到，则令舰载机起飞。
首先，“大黄蜂”号的35架轰炸机和15架鱼雷机，在10架战斗机的护航下，从两种不同的高度，向日航空母舰出现的方向飞去。接着，“企业”号的33架俯冲轰炸机和14架鱼雷机升空，在10架战斗机的护航下，一前一后，飞向预定海域。第17特混编队收回侦察机后，立即掉头西进。8时后仍未发现新的情况，弗莱彻则令“约克城”号派1/2的舰载机出击。
这时，日机动编队已将袭击中途岛的飞机收回，开始向北航进。美军先后派出的5个舰载机群迅速向其接近。“大黄蜂”号的轰炸机群从高空接敌，因南云编队向北转移，云雾影响观察，未能发现目标。“大黄蜂”号的鱼雷机群，在云层之下飞行，约于9时20分发现日航空母舰并实施攻击。但遭到数十架零式战斗机的拦截，这15架美机在投射鱼雷之前全被击落。接着，“企业”号的14架鱼雷机飞临目标上空，分成2组从左右两舷对“赤城”号实施攻击。结果，10架被击落，其余4架虽然投射了鱼雷，但无一命中，美军来袭的前3个机群均遭失败。
美军派出的第4个机群，即“企业”号的轰炸机群，也和“大黄蜂”号的轰炸机群一样，飞到顶期海域没有发现目标。但小麦克拉斯海军少校率机群进行方形搜索，首先向北飞行。数分钟后发现了南云编队。日军的4艘航空母舰正以菱形队形北进，小麦克拉斯将所率领的33架飞机分为4组，对最近的两个目标——“赤城”号和“加贺”号进行攻击。在此之前，日机动编队连遭两个鱼雷机群的攻击，其大部战斗机在激烈空战中用完了弹药，或即将耗尽燃油，已纷纷着舰加油装弹；留在空中的战斗机已被鱼雷机群吸引到低空，放松了对高空敌机的戒备。加之空中有云，这批美机借助云层隐蔽接敌。使日军未能发现，小麦克拉斯率领机群从云隙中突然俯冲下来，瞬息间，“赤城”号被击中2颗炸弹，“加贺”号被击中4颗炸弹。
通常，几颗炸弹还不至于能将这种大型军舰葬于海底，可是当时在这两艘航空母舰的飞行甲板上正密集排列着已加完油、挂上雷弹的飞机，炸弹爆炸引起的烈火向这些飞机迅速蔓延，引爆了挂在飞机上的鱼雷和炸弹，遂使两舰无法挽救。“加贺”号和“赤诚”号于当日晚和次日晨先后沉没。
“约克城”号的突击机群，比前4个机群晚起飞几十分钟，但航向偏北，一到战场就看到小麦克拉斯机群正在攻击，它遂向最近的目标飞去。12架鱼雷机在6架战斗机的掩护下，从舰首方向接敌；仅有5架得以突防投雷，均未命中。接着，17架轰炸机背着太阳进行攻击，既未受到高炮的猛烈攻击，也未遭到战斗机的拦截。前面的13架轰炸机已经投中3颗炸弹，使“苍龙”号顿时变成1条火龙，后面的4架区去攻击其他目标。这3颗炸弹落在比翼排列着的飞机中间，引起的烈火迅速燃烧到油舱和弹药库。阵阵爆炸使“苍龙”号于当日19时许沉没。
日军的4艘航空母舰中唯有第2航空战队司令官山口多闻海军少将的旗舰——“飞龙”号尚未受创。山口令“飞龙”号第1突击机群立即起飞，去攻击美舰，但遭美机和防空炮火的拦击，仅6架得以攻击。“约克城”号被击中3弹受伤，后经抢修又能继续航行。山口根据返航飞行员报告的情况，决定进行第2次攻击。第2突击机群共有鱼雷机10架、战斗机6架。其中的4架鱼雷机突防成功，再次攻击了“约克城”号。后者被击中两条鱼雷，3个锅炉舱进水，失去航行能力。
“约克城”号正被日机攻击时，美侦察机发现了日航空母舰“飞龙”号。斯普鲁恩斯获悉后，立即从“企业”号派出24架，从“大黄蜂”号派出16架轰炸机进行回击。“企业”号的轰炸机首先飞临目标上空并投弹，4颗命中引起大火；“大黄蜂”号飞机抵达现场时，见“飞龙”号烈火熊熊，奄奄一息，便去攻击其警戒舰只。次日晨，山口决定弃舰，并派驱逐舰以鱼雷将“飞龙”号击沉。
为了挽回败局，在联合舰队旗舰“大和”号上的山本，决意将己方战列舰、巡洋舰等主要兵力集中起来，与敌进行一场水面决战。但美航母编队这时已开始东撤，无意与敌夜战。后来，山本意识到，日军继续东进，拂晓后将难以逃避敌机的攻击，这才无可奈何地决定停止这次作战，命令全军西撤。
是日夜，栗田部队奉命前去炮击中途岛，接到撤退命令后立即转向。在返航途中发现美潜艇，规避潜艇时，日重巡洋舰“最上”号与“三隈”号相撞。“最上”号舰首毁损，“三隈”号油舱破裂，舰尾拖着一条油迹。次日晨，美特混编队对其进行追击，上述2舰各被击中数颗炸弹，为其护航的2艘驱逐舰也都各中1弹。数小时后，“三隈”号沉没。
中途岛海战至此结束。美军损失航空母舰和驱逐舰各1艘，而日军丧失航空母舰4艘早日重巡洋舰1艘，被击伤重巡洋舰1艘和驱逐舰2艘。美舰载机被击落109架，而日方损失舰载机322架，丧失一大批富有作战经验的飞行员，这是对它的致命打击。此后，由干缺少舰载机的掩护，日舰艇部队的活动范围受到很大限制，其主动权开始丧失，对尔后的作战产生了严重影响。