Севернее находилось ударное авианосное соединение вице-адмирала Нагумо, состоящее из авианосцев Akagi, Kaga, Hiryu, Soryu и 17 кораблей охранения.
Западнее располагалась стоянка тяжелых крейсеров Atago, Takao, Myoko и Haguro, линейных крейсеров Haruna и Kirishima, легкого крейсера, восьми эскадренных миноносцев и легкого авианосца Zuiho.
В 08.00 на мачте авианосца Akagi взвился сигнал «Выход согласно плану». Подняв якоря, корабли, выстраиваясь на ходу в кильватерную колонну, двинулись к намеченной цели.
К полудню корабли вышли в открытый океан. Эскадренные миноносцы рассредоточились и начали проводить противолодочное патрулирование, а основные силы перестроились в походный порядок и взяли курс на юго-восток, приближаясь к цели со скоростью 18 узлов. Линейные корабли образовали две параллельные кильватерные колонны: справа шли Yamato, Nagato и Mutsu, слева — Ise, Hyuga, Fuso и Yamashiro. Между колоннами располагался авианосец Hosho, самолеты которого вели разведку района прохождения кораблей. Легкий крейсер и 20 эскадренных миноносцев находились в круговом охранении на расстоянии 1500 м от линейных кораблей. Два легких крейсера двигались позади, на флангах колонн, в 10 000 м друг от друга. Они должны были отражать атаки подводных лодок противника, которые могли преследовать соединение.
Тяжелые авианосцы также шли двумя колоннами: Akagi и Kaga — справа, Hiryu и Soryu — слева. Впереди авианосцев, справа и слева в ближнем охранении, находились два тяжелых крейсера, строй замыкали линейные крейсера Haruna и Kirishima. Легкий крейсер и 12 эскадренных миноносцев осуществляли дальнее круговое охранение.
По оценкам японской разведки, в районе атолла Мидуэй находилось примерно 24 патрульные летающие лодки, 12 бомбардировщиков армейской авиации и 20 истребителей. Вблизи атолла Мидуэй патрулировали дозорные корабли и несколько подводных лодок. Кроме того, атолл Мидуэй оборонялся отрядом морских пехотинцев численностью 750 человек. На атолле были мощная зенитная артиллерия и большое количество орудий береговой обороны. Предполагалось также, что при получении известий о намерениях японцев военно-воздушные силы, базирующиеся на атолле, удвоятся за счет авиации с Гавайских островов. Разведка установила, что летающие лодки противника днем и ночью ведут патрулирование по дуге западнее атолла Мидуэй на расстоянии 600 миль от берега.
Основные силы американского флота должны были находиться в районе Гавайских островов. Предполагалось, что они состоят из двух-трех тяжелых авианосцев, двух-трех эскортных авианосцев, четырех-пяти тяжелых крейсеров, трех-четырех легких крейсеров, около 30 эскадренных миноносцев и 25 подводных лодок. Базовая американская авиация на Гаваях состояла из 60 разведывательных летающих лодок, 100 бомбардировщиков и 200 истребителей.
В районе Алеутских островов военно-морских и военно-воздушных сил противника разведка не обнаружила.
Подготовка к первому боевому вылету на авианосце Akagi началась поздно ночью 3 июня, когда авианосное соединение подошло к Мидуэю с северо-запада на расстояние 240 миль. 4 июня в 02.45 утра на Akagi поступил приказ: «Экипажам самолетов, назначенным в атаку, приготовиться!» Самолеты были подняты на палубу, механики начали прогрев двигателей. Летчики приступили к предполетному инструктажу. В 04.30, за 40 минут до восхода солнца, они заняли свои места в кабинах и начали взлет.
А6М2 Model 21(А1-156) на палубе авианосца Akagi перед рейдом на Пёрл-Харбор
С палубы Akagi первыми поднялись девять истребителей А6М. За ними последовали 18 пикирующих бомбардировщиков D3A, каждый из которых нес по 250-кг бомбе.
Одновременно с ними в воздух поднимались и самолеты с других авианосцев соединения. Примерно за 15 минут с четырех кораблей взлетело 108 самолетов.
Адмирал Нагумо считал, что американские авианосцы находятся далеко, но, тем не менее, решил держать наготове ударную авиагруппу, чтобы немедленно атаковать противника в случае его появления. Истребители должны были отразить возможную атаку базовой авиации с атолла Мидуэй. Для этого на Akagi стали готовить к вылету оставшиеся на борту самолеты. Их подняли на палубу и откатили на предназначенные для них места. На носовом самоле-топодъемнике доставили девять А6М, а на среднем и кормовом — 18 бомбардировщиков-торпедоносцев B5N. Матросы технического дивизиона авиационной боевой части доставляли торпеды из погребов для боезапаса и подвешивали их на самолеты. В 05.00 подготовку завершили.
Прикрытие кораблей с воздуха осуществляли девять истребителей Zero с авианосца Када, и еще девять машин этого типа были подготовлены к взлету на Akagi.
В 05.20 истребители Akagi подняли в воздух по тревоге: над кораблями соединения появилась американская летающая лодка. Перехватить или сбить лодку зенитным огнем японцам не удалось. Судя по материалам радиоперехвата, ее экипаж передал координаты японских кораблей самолетам ударной группы с Мидуэя.
В течение последующего часа японцы фиксировали появление еще нескольких американских разведывательных самолетов, которые постоянно контролировали передвижение кораблей Нагумо.
Тем временем первая атакующая волна, закончив сбор и набрав высоту 4000 м, приближалась к цели. В 150 милях от Мидуэя самолеты были обнаружены никем не замеченной летающей лодкой противника Catalina. В 30 милях от атолла летающая лодка поднялась над строем японских самолетов и сбросила осветительную бомбу, послужившую сигналом для 26 американских истребителей, которые барражировали в воздухе на высоте 5500 м. Увидев условный сигнал, американцы бросились в атаку, однако им не удалось прорваться к ударным самолетам. Первым делом пикирующие бомбардировщики устремились к аэродрому на острове Истерн-Айленд, но самолеты противника, пилоты которых были извещены о налете, уже находились в воздухе, и бомбы были сброшены японцами на пустые ангары и ВПП. Особого вреда аэродрому эта атака не нанесла.
Ведущий ударной группы капитан-лейтенант Томонага передал по радио на Akagi: «Необходима вторая атака. Время — 07.00». Он думал, что к этому часу американские самолеты обязательно вернутся на аэродром для дозаправки. Японцам удалось положить несколько бомб в ВПП, вывести из строя топливопровод, уничтожить один ангар для гидросамолетов и один топливный склад. Береговые укрепления, созданные американцами для отражения высадки морского десанта, пострадали незначительно.
Потери японцев в этом вылете были минимальными: четыре бомбардировщика и два истребителя. Американцы же заявили, что им удалось сбить 53 самолета.
В 07.05 японские авианосцы подверглись первой атаке со стороны береговой авиации американцев. Четыре торпедоносца В-26 Marauder попытались приблизиться к ордеру кораблей на дистанцию сброса торпед. Три американских самолета были сбиты истребителями, а один отказался от атаки и повернул назад.
Еще шесть торпедоносцев TBF Avenger зашли на боевой курс с другой стороны. Три машины были сбиты, но оставшиеся, несмотря на сильный зенитный огонь, все же сбросили торпеды. Однако Akagi все же увернулся от них, совершив резкий противоторпедный маневр.
В это время на борт флагманского Akagi передали важное сообщение о том, что самолет-разведчик обнаружил группу неизвестных кораблей: «Вижу десять кораблей, очевидно, противника. Пеленг 10°, дистанция 240 миль от атолла Мидуэй. Курс 150°, скорость свыше 20 узлов. Время 07.28». Вражеские корабли находились на расстоянии около 200 миль от эскадры Нагумо. Как раз в этот момент ударные самолеты, стоявшие на палубах японских авианосцев, начали перевооружать с торпед, которые предназначались для удара по кораблям, на бомбы — для повторной атаки атолла Мидуэй. Точных сведений об обнаруженном противнике не было, но Нагумо распорядился прекратить перевооружение самолетов.