进攻中途岛是日本联合舰队司令山本五十六的主张，曾经担任过日本驻美国使馆武官的他，非常清楚美国的工业制造能力。他希望夺取中途岛，进而夺取美军太平洋舰队基地，趁美国太平洋海军还没有恢复元气，尽快将其歼灭。只有这样，日本才有机会能够和美国坐下来谈判，迫使美国承认日本在西太平洋的地位。
中途岛位于太平洋中部，西距东京2250海里，东南距珍珠港1135海里，由东岛和沙岛两个环礁组成。沙岛面积稍大，东西长约3000米，南北宽约2500米，地势平坦，北部有一个港口。东岛约为沙岛的一半大小，呈三角形。
中途岛面积虽不大，却颇受美日双方的重视。岛上的美军飞机可以警戒半径为600海里的区域，港口可用作美军航空母舰编队机动作战的补给和前进基地。鉴于其攻防两用的特点，中途岛成了美国在中部太平洋理想的战略前沿阵地。
对日寇来说，占领了中途岛，就可以把中部太平洋的防御圈大大向东推进，并可利用岛上的海空基地，有效地监视和警戒夏威夷群岛的美国太平洋舰队的行动。另一方面，日寇占领中途岛，还可以在美国中部太平洋防御圈上打开一个缺口，威胁夏威夷群岛，并以此作为日后攻占夏威夷的跳板。
同偷袭珍珠港时一样，日本海军作战部听到山本五十六的新计划仍然大吃一惊，这个计划太过大胆，战争还不到半年就已经打到美国太平洋海军的大门口是他们没有想到的。这一次山本五十六仍然以辞职为要挟，逼迫统帅部同意他的方案。这也是反对他的人最忌惮的，因为自从联合舰队成功偷袭了珍珠港，山本五十六已经成为日本仅次于天皇的偶像，如果他辞职，这些人无疑会背上骂名。
192年月20日，日寇大本营召开陆海军联席会议，授权联合舰队全力以赴夺取中途岛和阿留申群岛西部。随后，联合舰队制定出作战计划，并于月底获得批准。该计划主要包括：“攻占中途岛，封堵美军舰队自该方面的机动，并推进我方的作战基地……海军在以有力部队支援和掩护攻占中途岛的同时，捕捉歼灭前来反击的敌舰队……陆海军协同攻占并破坏阿留申群岛西部要地，增加敌人自该地机动及空中进攻的困难。”
5月5日，奉日本天皇敕令，海军发布第18号作战指令：“帝国联合舰队司令长官山本五十六将军与陆军协同占领中途岛和阿留申群岛西部战略要地。此令。”
同时，为牵制美军兵力，诱使美军分兵，还规定对阿留申群岛的攻击应先于中途岛方向。
相比于日本联合舰队，美军太平洋舰队的实力要弱得多。尼米兹手里能够调动的航母只有哈尔西指挥的第16特混舰队所辖的“企业”号和“大黄蜂”号航母，弗莱切的第1特混舰队所辖“约克诚”号航母在5月份的珊瑚海海战中遭受重创，正在返回珍珠港维修。“列克星敦”号航母则在珊瑚海海战沉没，而“萨拉托加”号航母刚刚在美国西海岸完成维修，无法及时赶回珍珠港。
不过，尼米兹手中有一个王牌，就是由莱顿和罗切斯特领导的太平洋舰队情报小组。起初这个小组的工作并没有得到尼米兹的重视，但在192年月，罗切斯特向他提供了一组情报：“日寇已完成印度洋作战任务，正在向国内集结；日寇没有进攻澳大利亚的打算；新几内亚东部将面临新的攻势；日海军将在太平洋地区发动更大的攻势，并会调动联合舰队大部分兵力。”
这份情报虽然缺少细节，但基本上勾勒出日寇的下一步动向。尼米兹对这份情报是将信将疑的，他内心的真实想法是既然情报工作如此出色，为什么在日寇偷袭珍珠港前没有任何发现？为了谨慎起见，尼米兹还是将第1特混舰队派往新几内亚的珊瑚海海域，以防备日寇真的在那里进攻。事实证明，罗切斯特的情报是准确的，日寇果然在5月初发动了对新几内亚东部莫尔兹比港的攻击，由于美军提前有所准备，日寇的进攻企图没有实现。
珊瑚海战后，情报小组更加夜以继日地工作，他们基本上判断出日寇下一个进攻的目标在太平洋中部，但是具体是哪里还不清楚。美国总统罗斯福担心日本下一个进攻的目标可能是北部的阿拉斯加，甚至是美国西海岸；海军部长欧内斯特金认为是夏威夷；马歇尔认为是旧金山。尼米兹认为：日寇的目标可能有三个，即阿留申群岛、珍珠港和中途岛，而这三处无论日寇选择哪一处都绕不开中途岛。
他的分析需要得到证实，此时情报小组的工作有了进一步进展，在日本海军军令部与联合舰队的一系列密电中，经常出现两个最常出现、最引人注意的字母“AF”，这个代号有时作为一个目标，有时作为舰队集结的地点。而这个代号在几个月前情报小组侦听到的一份电中也出现过，当时一架日寇水上飞机在中途岛附近的一个小岛得到了潜艇上的料补给，那份电提到的加油地点就在AF附近，所以罗切斯特判断“AF”指的就是中途岛！
为了进一步证实自己的判断，罗切斯特跟莱顿商议，能否让中途岛基地拍发一份明码诱饵电报，电内中表示中途岛淡水蒸馏设备发生故障，饮水告急，以此来试探日本方面的反应，此事经过尼米兹的同意后立即付诸实施。第二天，罗切斯特的小组果然监听到日寇的密电中出现“AF缺乏淡水……必须向AF登陆部队提供淡水”等内容。至此，美军终于确定了日寇的下一步进攻目标。
5月初，尼米兹亲临中途岛，检查了岛上的所有布防，并通知岛上驻军做好一切准备，随即向这里增派了作战飞机和部队，至开战前岛上驻有3000多名官兵和115架作战飞机。5月8日，珊瑚海海战结束，尼米兹命令弗莱切的第1特混舰队和哈尔西的第16特混舰队立即返回珍珠港（第16特混舰队因执行“轰炸东京”任务，没有来得及参加珊瑚海战役，但他们完成任务返回珍珠港后，也被尼米兹派往珊瑚海海域）。
5月1日，美军第8特混舰队和陆军第11航空队派往阿留申群岛。
5月25日，参加中途岛战役的指挥官齐聚太平洋舰队司令部，在尼米兹一再逼问下，莱顿将自己还不敢确定的情报提供给与会的高级将领：“联合舰队将于6月3日进攻阿留申群岛，6月日进攻中途岛，当天早晨6时、在中途岛西北325度方位、15海里处会发现日寇舰队。”莱顿的情报经事后验证，与美军实际发现日寇的时间差5分钟、方位差5度、距离差5海里，这在浩瀚的太平洋上已经算不上是误差。
5月2日，美军舰队在珍珠港完成集结。原计划尼米兹想要第1特混舰队司令哈尔西担任这次海上作战的最高指挥官，但此时哈尔西正患有严重的皮肤病。在医生的一再坚持下，不得不住院治疗，他随后向尼米兹推荐了斯普鲁恩斯。而尼米兹出于谨慎起见，将两个舰队统一指挥权力交给刚刚在珊瑚海战表现出色的第1特混舰队指挥官弗莱切。当天，尼米兹再次召开作战会议，最终决定：“由于敌我力量悬殊，美国航空母舰部队应避免在中途岛以西正面与日寇交锋，而采取侧翼伏击战术，突然袭击日寇航空母舰部队。”
为此，要求第16、第1两支航空母舰特遣舰队于5 月28日和30日先后驶离珍珠港，于6月2日秘密驶抵北纬32 度、西经13度的中途岛东北约325海里处会合，“隐蔽待机，准备突袭预计在中途岛西北面出现的日寇航空母舰部队……运用强大的消耗战术最大限度地摧毁敌人。”
同时，尼米兹给航空母舰舰队司令的特别训令∶“在执行规定的任务时……你们必须遵循不轻易冒险的原则，若无把握使优势之敌遭受较之我方更大的伤亡，则须避免暴露自己，免受其打击。”
5月28日，斯普鲁恩斯率领第16特混舰队出发，他的舰队共有2艘航母（“企业”号、“大黄蜂”号）、5艘重巡洋舰、1艘轻巡洋舰、9艘驱逐舰和一支油船补给队。5月30日，经过3天不间断抢修，“约克诚”号航母跟随第1特混舰队离港，驶向中途岛。弗莱切的舰队除“约克诚”号航母外，还包括2艘重巡洋舰和5艘驱逐舰。6月2日，第16、第1特混舰队在中途岛以东海域会合。
日本海军将进攻中途岛的日期预定为6月5日（实际战斗主要集中在6月日），所以各部队必须在5月下旬从各基地出发。为了达成作战目标，山本五十六调动了的联合舰队所有舰船倾巢出动，并编成6个战术编队。
先遣部队由第6舰队司令小松辉久中将指挥，下辖1艘轻巡洋舰、15艘潜艇。任务是先行侦察中途岛的美军情况和天气状况，并在开战前，前出至中途岛和夏威夷之间组成潜艇警戒线，以攻击支援中途岛的美国舰队。
第1机动部队由第1航母舰队司令南云忠一指挥，辖艘重型航母（“赤城”号、“加贺”号、“飞龙”号、“苍龙”号）、2艘战列舰、2艘重巡洋舰、1艘轻巡洋舰、12艘驱逐舰及舰载飞机261架。任务是在登陆作战之前空袭中途岛的美军机场及各种设施，消灭岛上的美军航空兵，支援并掩护登陆作战，同时歼灭可能来犯的美军太平洋舰队。
攻占中途岛部队由第2舰队司令近藤信竹指挥，辖轻型航母1艘、战列舰2艘、重巡洋舰8艘、轻巡洋舰2艘、驱逐舰21艘、水上飞机母舰2艘、运输舰15艘及若干扫雷舰、猎潜舰，各类舰载飞机56架，运输舰上载有登岛部队5800人。任务是在第1机动部队消灭中途岛的美军航空兵后，输送并掩护登陆部队占领中途岛，同时准备在中途岛附近海面截击美军舰队。
北方部队由第5舰队司令细萱戍子郎指挥，分为北方部队主力、第2机动部队、阿图岛攻占部队、基斯卡岛攻占部队和潜艇部队5个支队。辖2艘航母、3艘重巡洋舰、1艘辅助巡洋舰、12艘驱逐舰以及扫雷艇、运输舰若干艘，舰载飞机82架，搭载登陆兵250人。任务是空袭荷兰港美国海军基地，破坏阿达克岛美军军事设施，攻占阿图岛和基斯卡岛，准备迎击美军舰队。
岸基航空部队由第11航空舰队司令冢原二四三指挥，下辖轻巡洋舰1艘、驱逐舰3艘、运输舰19艘以及陆基飞机21架，其中36架零式战斗机由第1机动部队携带。任务是占领中途岛后立即以岛上机场为基础，实施空中作战。侦察珍珠港方面美军舰队的情况，在各部队实施中途岛作战期间，尽可能以太平洋各岛屿为基地，广泛进行空中侦察和警戒。
主力舰队由山本五十六亲自指挥，下辖轻型航母1艘、战列舰艘、轻巡洋舰3艘、驱逐舰21艘、水上飞机母舰2艘以及各类舰载飞机35架。任务是掌握中途岛作战全局，间接支援北方的作战，重点支援中途岛作战，同时攻击美军舰队。
此次作战，日寇攻击出动水面舰艇206艘、舰载飞机0架，岸基飞机21架，登陆部队及基地设置部队1.68万人
5月中旬，作战准备工作完成，各舰队开始集结。
5月18日，山本五十六在其旗舰发布作战训令。
5月26日，南云忠一率领的第1机动部队从柱岛基地出发，驶向中途岛西北海面；28日，山本五十六率领的主力部队离开柱岛基地，在第1机动部队身后00海里跟进。这支实力明显优于美军的舰队，此时还不掌握美军航母舰队的动向，相反，美军已经大体清楚日寇的兵力和行动计划。
按照日寇的计划，两架侦察机将于马绍尔群岛的沃特杰起飞，然后飞往中途岛和夏威夷之间的弗伦奇－弗里格特沙洲，在那里会有等候他们的一艘潜艇为他们加油，然后飞往瓦胡岛执行侦察任务。但是日寇潜艇抵达沙洲附近时，发现那里有2艘美军船只，由此日寇不得不放弃这次侦察任务。
另一个担任侦察任务的是日寇的先遣舰队的潜艇，他们计划于6月2日到达中途岛和珍珠港之间的海域，布置警戒线并侦察美军的动向，但这些潜艇在3日才到达指定位置，此时美军的两个特混舰队已经穿过这片海域，到达了中途岛附近。所以，直到开战前，日寇仍然不清楚美军航母舰队是否在中途岛，更不知道他们的具体位置。
战斗首先在北面的阿留申群岛打响。
6月3日2时左右，攻击阿留申群岛的北方部队第2机动部队避开美军潜艇、巡逻艇和飞机的侦察与警戒，抵达荷兰港西南约180海里处，8架舰载战斗机和轰炸机起飞前去实施第一次空袭。由于气候恶劣和美军战斗机的拦截，空袭收效不大，仅摧毁油罐场、无线电站等地面设施，但发现了5艘美军驱逐舰。
8时5分，日寇再次出动飞机5架，实施第二次空袭。又因乌云遮盖，能见度不佳等原因，仅有2架飞机到达目标区域上空。在美军战斗机拦截下，这两架飞机一毁一伤，第二次空袭失败。
第2机动部队原计划3日以空袭压制荷兰港的美海空力量之后，即转向攻击阿达克岛、阿图岛和基斯卡岛，支援该地登陆作战。但由于空袭目的未能达到，第2机动部队决定日再度空袭荷兰港。其间，美国太平洋舰队曾明确要求仅以飞机和潜艇进行反击，因此，美军的水面舰队主力始终停在后方的科迪亚克岛待机，飞机则频频攻击日寇舰队。因气候不良，云层太低，未取得战果，美军损失9架飞机。