不过他在参谋的建议中没有下达命令停止甲板上的飞机换装炸弹的工作，而是在等待侦察机的补充报告，潜意识里他还是把中途岛的美国陆基飞机当作是最大的敌人。
二十分钟后，日军侦察机紧急报告在美军舰队后面似乎有1艘航母，尽管还是模棱两可的报告，但南云认为自己不能再任由飞行甲板上的鱼雷换炸弹的工作继续下去，现在眼前的重要任务是对付这支突然冒出来的美国舰队。中途岛只有先放到一边去了，因为根据侦察机的报告，日本舰队现在应处在美国航母舰载机的攻击半径之内了。
他马上下令停止换炸弹，重新为甲板上的飞机装上鱼雷。这一连串的换炸弹换鱼雷的命令，使得日军航母的甲板上和机库里非常混乱，卸下的炸弹鱼雷由于时间仓促，都堆放在一边，而未及时放入弹药舱，日本舰队的军械员并未意识到这是在为自己和舰队在挖掘坟墓。
8时30分，日军攻击中途岛的第一批飞机飞回母舰上空，准备降落。这时南云正处于左右为难的局面，‘赤城’号和‘加贺’号的攻击机正在进行换弹作业，一时无法起飞，‘苍龙’号和‘飞龙’号的攻击机还没有开始换弹，可以立即起飞，但所有战斗机都因为刚才抗击美军岸基飞机的战斗，急需补充燃料和弹药，无法马上出动为攻击机护航。
如果强行命令甲板上的第二波飞机起飞，可能会因没有战斗机掩护而损失惨重。他刚才是怎么击落美国战机，等他的飞机飞到美国舰队上空，美国人就会怎么回敬他的机队。
如果先清理甲板让第一波飞机降落，又可能会失去战机。参谋长草鹿少将和作战参谋源田实中佐都认为应先清理甲板，让第一波飞机降落，再组织第二波攻击。‘飞龙’号航母上的第二航母战队司令山口多闻少将见南云迟迟没有采取应对措施，便通过‘野分’号驱逐舰用灯光信号向南云转发了他的建议：“我认为应立即命令攻击部队起飞！”
南云没有接受山口多闻他的建议，他命令将在甲板上的飞机收入机库，腾出甲板让第一波飞机和在舰队上空即将耗尽燃料的巡逻战斗机降落。8时37分，开始接收飞机着舰。十五分钟后，飞机回收完毕，机库里疲惫不堪的地勤人员放下尚未完成的换弹任务，为这些飞机加注燃料、装弹。
9时18分，执行巡逻任务的战斗机也全部降落完毕，机库里一片忙碌。50架战斗机加油装弹完立即起飞，在舰队上空巡逻警戒。
在回收飞机的作业基本完成后，南云下令沿30度航向以30节航速北进，以躲避美国航母有可能发动的攻击并在准备好后尽快占领有利的攻击阵位。
就在此时，来自美军航母舰载机的攻击开始了。最先飞抵目标海域的是‘大黄蜂’号的35架轰炸机和10架战斗机，却未发现日舰。美国飞行员认为南云一定是向中途岛进发了，因此转向西南向中途岛飞去。结果越追离南云舰队越远，21架轰炸机返回了母舰，14架轰炸机返回了中途岛，其中4架在着陆时坠毁，10架战斗机则因燃料耗尽都在海上迫降。
与轰炸机群和战斗机群失散的‘大黄蜂’号的15架鱼雷机，由第八鱼雷机中队长沃尔德伦少校率领，在低空飞行，当他们在预定海区见到空荡荡的大海的时候，沃尔德伦少校作出了向北搜索的决定。
很快沃尔德伦少校就在远处的海面上发现了一只庞大的舰队，沃尔德伦少校在通话器里对属下们说：“先生们，我们没有战斗机的掩护，但我希望大家竭力去摧毁我们的敌人，如果只剩下一架飞机去执行最后的进攻，我希望那个勇敢的小伙子冲上去并击中目标，愿上帝保佑大家！”
说完后沃尔德伦少校带着燃油即将消耗完的机群在没有任何掩护的情况下发动了攻击，这是一场壮烈的自杀攻击行动，在空中的日军战斗机和舰艇上的高射炮火的攻击中，笨拙的‘复仇者’鱼雷攻击机一架接一架在空中被击中，然后起火爆炸，参与攻击的30名飞行员只有一名幸存。
9时30分，‘企业’号的由林塞少校指挥的14架鱼雷机与他们的护航战斗机失散，由于战斗机要占据对日军战机的高度优势，一直在云上飞行，等林塞少校发现日本舰队的时候，他的机队已经没有了掩护，林塞机队单独飞临日舰上空，分成两组，向‘赤城’号航母两舷实施鱼雷攻击。
‘赤城’号航母的对空了望哨大声急喊：“敌鱼雷机，左舷30度、右舷30度，低空接近。”
在日军战斗机的凶猛拦击下，有9架在投下鱼雷前就被击落，余下5架投下的鱼雷无一命中，又被击落1架，返航中又有3架因受伤太重而坠海，最后仅1架返回母舰。
‘约克城’号的舰载机虽比其他两艘航母晚起飞一个多小时，但航向偏北，而且又在途中知道了日舰的新位置，迅速更正航线，所以只晚到了几分钟，紧接着‘企业’号的鱼雷机发起了攻击。12架鱼雷机在6架战斗机掩护下攻击了‘苍龙’号航母，虽然日军战斗机拼命阻拦，但是还是有7架战机突破拦截，向目标发射了鱼雷，‘苍龙’号航母见势不妙，一个右满舵，躲开了全部的鱼雷。美国攻击机群损失10架鱼雷机和5架战斗机，未获任何战果。美国唯一一个没有损失的攻击编队是由斯威尼少校指挥的陆航B-17‘空中堡垒’重轰炸机，美国人在6000米高空实施水平轰炸，日军的高射炮够不着美国飞机，可美国飞机扔下来的炸弹也因为精度太差没有伤到一艘日本军舰（本来就不是对精确攻击的武器，只适合对面目标实施轰炸）。
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