战役的主攻方向是中途岛，阿留申群岛为次要方向。5月5日，日军大本营下令攻占中途岛和阿留申群岛西部岛屿。日本联合舰队为实施这次战役，动用舰艇包括运输舰、辅助舰在内共200余艘，其中航空母舰8艘（舰载机400多架）、战列舰11艘、巡洋舰23艘、驱逐舰56艘、潜艇24艘。其主力编队辖中途岛进攻编队和第1机动编队；北方编队辖第2机动编队和阿留申进攻编队；另外，还编有先遣（潜艇）部队和岸基航空部队，由联合舰队总司令山本五十六海军上将统一指挥。26—29日，各编队先后由本土起航，预定于6月4日对中途岛发起进攻。
中途岛位于太平洋中部，由周长24千米的环礁组成，陆地面积约4.7平方千米。该岛距美国旧金山和日本横滨均相距2800海里，处于亚洲和北美之间的太平洋航线的中途，故名中途岛。中途岛是北美和亚洲之间的海上和空中交通要冲，其特殊的地理位置决定了它战略地位的重要性。另外，它距珍珠港1135海里，是美国在中太平洋地区的重要军事基地和交通枢纽，也是美军在夏威夷的门户和前哨阵地。中途岛一旦失守，唇亡齿寒，美太平洋舰队的大本营珍珠港也将不保。
5月中旬，通过无线电技术侦察手段，美国发现在日本可能用于对美实施攻击的舰艇中间传递的密码电报里，经常出现两个英文字母——“AF”。美国的情报人员判断，这两个字母有可能是地名的代号。据此，他们进一步研究，认为“A”和“F”有可能是中途岛位置的两个坐标。为了确证“AF”是否指的就是中途岛，美海军杰出的密码破译专家罗彻福特中校想出一计，让中途岛守备司令用早已被日军破解的密码向总部发一份“本岛淡水蒸馏设备发生故障，请上级立即派人前来修理”的电报。然后，他们就严密地侦控日本海军的无线电通信信号。
不出所料，两天以后，日本海军在电报中出现“AF”“淡水蒸馏设备发生故障”
“请准备提供淡水”等字样。一切清楚了，日本准备攻击的目标是中途岛，而且行动时间在即。后来，他们又侦获到日本海军特别陆战队的一名副官发给通信部门的一份电报，说“6月5日以后，本部队的邮件请寄往AF”。这就说明，攻击的具体时间有可能是6月4日。
接着，他们又从日本海军电台活动的各种情况分析出，日本有可能用于攻击中途岛的舰艇和飞机的实力以及武器装备的种类和型号等。就这样，美国人把日本人的作战企图基本摸清楚了。美太平洋战区总司令尼米兹海军上将调集航空母舰3艘（舰载机230多架）及其他作战舰艇约40多艘，组成第16特混舰队（R.A.斯普鲁恩斯少将指挥）和第17特混舰队（F.J.弗莱彻少将指挥），在中途岛东北海域展开，隐蔽待机。同时，19艘潜艇部署在中途岛附近海域，监视日舰行动。
6月3日，日本海军中将细萱戍子郎率北方编队（航空母舰2艘、舰载机82架，其他作战舰艇29艘）对阿留申群岛的荷兰港发起突击。4日凌晨，海军中将南云忠一率第1机动编队（航空母舰4艘、舰载机260多架，其他作战舰艇17艘）进至中途岛西北240海里海域，4时30分派出第一波飞机108架飞往中途岛。岛上美军发出警报，飞机升空迎敌，展开激战。日军轰炸机袭击机场，炸毁部分地面设施。
由于岛上防御加强，机场跑道未被摧毁。其间，南云的机动编队多次受到美岸基飞机的侦察、袭扰和攻击。南云遂决定再次攻击中途岛。7时15分，美岸基鱼雷机结束攻击，南云却下令已挂上鱼雷准备攻击美舰的第二波飞机改装炸弹攻击中途岛。7时28分，日侦察机报告发现美国舰队。此时，在中途岛东北海域待机的美特混舰队正向日机动编队接近，并已派出第一、第二波飞机200多架。8时20分，日侦察机报告美舰队似有1艘航空母舰。南云于是命令攻击中途岛的第一波飞机和担任空中战斗巡逻任务的战斗机返航，随后率舰队北驶，以免遭到袭击，并重新部署对敌舰队的攻击。9时20分至10时26分，正当日军第二波飞机卸下炸弹重挂鱼雷的混乱之际，美舰载鱼雷机和俯冲轰炸机连续攻击南云的航空母舰。日方虽有部分战斗机临空迎战，但为时已晚。结果，日军损失航空母舰4艘（“赤城”
号、“加贺”号、“苍龙”号、“飞龙”号）、重巡洋舰1艘、飞机285架，人员3500名；美军损失航空母舰1艘（“约克敦”号）、驱逐舰1艘、飞机约150架，人员307名。鉴于第1机动编队损失惨重，山本于5日下令停止中途岛作战，率联合舰队西撤。美军乘势追击，于6日派舰载机3次出击，又击沉日军重巡洋舰1艘，击伤巡洋舰、驱逐舰数艘。
事后，美太平洋舰队司令尼米兹上将兴奋地说：“中途岛的胜利实质上是情报的胜利。”
在总部举行庆功会时，他派自己的专车去接密码破译专家罗彻福特，并称赞说：“中途岛的功劳，应归功于这位中校。”40年后，人们仍没有忘记他，里根总统亲自为这位早已死去的英雄授勋，并对他的业绩大加赞扬，甚至说他：“改写了美国在二次世界大战的历史。”
中途岛大海战也被称做是“太平洋上的斯大林格勒战役”，是日本从优势走向失败的转折点。它改变了太平洋地区日美航空母舰实力对比。
日军仅剩重型航空母舰1艘、轻型航空母舰4艘，并损失大量飞行员。从此，日本丧失了在太平洋战场上的制空权和制海权，战局出现了有利于盟军的转折。
山本死后，曾有人说过他其实并不赞成攻打中途岛。那些突袭中途岛的方案，都是海军总部的一些高参提出来的，然后他们把计划说成是山本的意图。
历史到底是什么样子，我们不得而知。
曾在偷袭珍珠港问题上坚持己见、不顾众人反对的山本，为什么会在中途岛战役上那么顺从呢？据山本身边的工作人员回忆，山本五十六在出发前，曾经写信给他的情妇说：“现在已经到了关键时刻。”至于中途岛海战，他在信中却含糊其辞地说：“我对它并不抱多大的期望。”这同他在部下面前那种信心十足的劲头形成了鲜明的对照。
在中途岛海战中，还有几点让我们迷惑不解：一贯非常注意搜集敌人情报并对自己信息严加保密的山本，为什么把这次战争前的准备工作做得那样差呢？首先，山本没有派间谍去了解美军和中途岛的具体情况。
如果他曾经通过情报部门事先知道了中途岛已经战备升级，那么就可以由此判断出尼米兹已经获悉日军的预谋，中途岛海战的战败也许就可以因此而避免了。其次，到底是什么原因使诡计多端的日军在此次战争前没有更换情报密码呢？是由于时间太紧，还是其他什么原因，我们不得而知。
新世纪的海战
21世纪海军战场的作战特点
随着新军事革命和新技术革命的发展，大量高新技术兵器涌入海军，使得海战的环境、兵力攻防行动及指挥决策诸方面出现了前所未有的变化，产生了很多新的特点。
一是预警、侦察和监视更加高效能和立体化。对于高技术条件下海上作战的预警、侦察和监视，太空有各类侦察卫星和海洋监视卫星，空中有集预警和指挥于一身的预警机及拥有先进侦察手段的侦察机，海上有“宙斯盾”等可同时监视上百批目标并兼有判断和指挥反击功能的舰载C3I系统，实现了对海上整个作战空间和作战过程的监控。对潜艇侦察警戒，由岸基或舰载反潜巡逻机、反潜直升机和攻击潜艇组成了对大型水面舰艇编队或重点水域的多层反潜防护。
二是大规模的电子干扰和隐身技术已成为现代海战中行之有效的新式隐蔽手段。要在现代海战中实现隐蔽，其主要途径是运用压制干扰等电子干扰手段和隐身技术。资料表明，一艘4000吨级驱逐舰采用隐身技术后，对方机载雷达发现其距离降低53%；如果进一步实施电子干扰后，则将使其被发现距离降低78%。
三是高技术条件下的海战将首先以电磁“软杀伤”为先导，然后使用制导武器。在未来高技术战中，电子战必将成为交战双方争夺的“制高点”，直接应用于海战的进程和结局。海战的最后胜利属于将电子战和硬杀伤武器高度有机结合的一方。
四是C4I系统是现代海战的“中枢神经”，成为先机制敌的重要保障。以计算机为核心，集情报、通信、指挥与控制于一体的C4I系统，能够进行快速、灵敏和高效的组织指挥，极大地提高了作战指挥、交通管制和整体作战能力。
五是高技术海战对后勤的依赖程度比以往任何海战都大。高技术海战范围广阔，战役战术的外线作战频繁，要求后勤保障必须在机动中进行；海战爆发的突然性大，要求后勤必须具备很强的应急保障能力；高技术海战的多维性，要求后勤必须进行全方位的主体保障；高技术海战多“基点”交战的特性，要求后勤指挥系统必须具备很强的协调指挥控制能力。
21世纪海军战场的作战样式
在高技术条件下的海上局部战争中，各种先进武器装备的投入使用，已使海军战场的作战样式发生了显著的变化。
一是夜战和昼战将无明显的区别。先进的夜视器材装备部队后，特别是在第二代凝视型红外热像仪普遍入役后，将使兵力行动和作战能力不再受作战环境的影响。握有夜视瞄准器材的一方，能使夜间战场在很大程度上变成对己非常有利的“单向透明”的战场。
二是近战内涵发生了深刻的变化。射程远、精度高、威力大的武器陆续装备部队后，远程突袭作战的打击效果将空前增强，以往那种短兵相接的场面将可能很难出现，取而代之的是射程较远的多种武器的协同打击。
三是进攻与防御将融为一体。海上作战兵力同时置身于海面、空中、水下、太空和电磁的主体威胁中，在此情况下作战，已很难分清每次战斗是属于进攻作战还是防御作战。近期几场海上局部战争中，不少国家海军就特别注重强调攻防紧密结合的重要性。
四是电子战变为高技术海战中不可或缺的制胜关键。围绕夺取制电磁权的争夺将成为作战双方角逐的焦点，谁拥有制电磁权，谁就会变得“耳聪目明”；谁失去制电磁权，谁就会丧失对作战行动的有效控制，并导致最终的失败。
21世纪海军战场的作战思想
由于高技术海战武器的大量使用，海战的整体面貌和战略战术都发生了根本的变化。这种变化的出现，对传统的海上作战思想产生了强有力的冲击，主要表现在以下几个方面。
一是对海军地位的再认识。大量的高技术海战武器使现代海军的作战功能迅速扩展，从原来的那种单一的海上控制功能，发展为具有兵力投送、海上控制、对陆攻击等多重功能的重要军种。海军的作用和地位无疑会越来越显著。
二是带来了战略思想的重大转变。世界各濒海国家，尤其是美国和俄罗斯对其海军战略进行了大的调整。1983年9月、1984年4月和1985年6月，俄罗斯海军举行了一系列以对海、对空反潜为主要内容，以争夺挪威海制海权为出发点，以保卫本土、保护弹道导弹核潜艇和截击北大西洋舰运船舶为目标的大规模演习，表明俄罗斯海军战略已由进攻性战略转为防御性战略。
美国海军在1983年2月也公布了其海军战略或称前沿战略，宣告了两次大战延续下来的“护航、反潜”战略的结束，表明美国海军已从防御性战略转为进攻性战略。1992年1月，美国海军又推出新的海上战略，从以往的远洋海军战略向重点地区、沿岸和海军远征战略转移。
三是初步确定了新的作战思想。比较有代表性的新思想是美国的海上机动思想。现代海上作战的模式一般都是出动若干个舰艇编队，分散配置在各个战场空间，战时相互支援，协调配合，协同作战。其实质是调动、搅乱和迷惑敌人，破坏敌人的内部联络，瓦解敌人海上战役布局的整体结构，以便在突然性、心理震撼、地理位置和锐势方面获得优势，达到诱使敌人犯错误的效果。
