在第一波攻击队前去轰炸中途岛的同时，南云还派出了当天的第一批侦察机：“赤城号”和“加贺号”各起飞1架九七式攻击机，巡洋舰“利根号”和“筑摩号”各弹射2架水上飞机，战列舰“榛名号”弹射1架，以300海里为半径分别搜索从东到西的7个扇面。“利根号”的最后一架飞机（4号机）由于弹射器故障耽误了出发时间，一直到日出前的5点10分才缓缓升空，这一偶然事件将对战局产生举足轻重的影响。
6点15分，经过两小时跋涉的日军第一攻击波战机抵达中途岛上空，却惊讶地发现跑道上空空如也。原来，早在45分钟前，一架从中途岛起飞的PBY巡逻机已经观察到了前进中的“赤城号”，并向东岛基地和TF16、TF17发出了警报。驻中途岛的两位岸基航空部队指挥官当即决定：把所有性能较好的飞机（11架SB2U和16架SBD俯冲轰炸机，6架TBF鱼雷机，以及陆军的19架B-17E和4架B-26B轰炸机）都派去轰炸日本航母，只留下27架过时的F2A战斗机阻滞敌人。当友永到达东岛上空时，美国轰炸机已经在朝日本舰队飞去了。
日本人只好把怒气发泄在空荡荡的跑道上。他们迅速击落了大部分F2A，并炸毁了跑道、机库、储油罐和地面设施。由于地面炮火猛烈，有6架日机被击落。不过友永显然没想通为什么大部分美机去向不明，他认为必须继续空袭，直到找出隐匿的美国飞机。7点整，友永以无线电报告旗舰：“需要进行第二次攻击。”
正当南云忠一准备与参谋们讨论友永的建议时，7点05分，从中途岛起飞的第一批10架鱼雷机出现在了“赤城号”上空。尽管它们投下的鱼雷无一命中，并且很快就被击落了7架，但却有力地验证了友永的意见——中途岛基地依然拥有强大的航空兵力。南云不再犹豫了，7点15分，他同意再度空袭中途岛，并命令“赤城号”和“加贺号”飞行甲板上的36架九七式攻击机（已经挂上鱼雷）卸下用于攻击军舰的鱼雷，改装800公斤对陆炸弹。整齐的机群一架一架通过升降机送回到机库内，整备员们开始了当天第二趟忙碌。
那么，美国航母是不是真的远在天边呢？
相比后知后觉的南云，斯普鲁恩斯的动作要快得多。PBY传回的情报一发来，TF16的两艘航母就通过扬声器发出了命令：“飞行员登机！”7点02分，“企业号”率先起飞了10架F4F战斗机、33架SBD俯冲轰炸机和14架TBD鱼雷机，“大黄蜂号”也起飞了10架F4F、35架SBD和15架TBD，去进行一场胜负未卜的赌博。8点30分，谨慎的弗莱彻少将也从“约克城号”上派出了6架F4F、17架SBD和12架TBD。总计131架飞机的攻击队一面搜索日本航母的方位，一面准备攻击。
在他们的西边，倒霉的南云正继续受到中途岛陆基飞机的“关照”。从7点55分到8点27分，先后有42架美国轰炸机发动了三波攻击，投下的炸弹无一命中，只是进一步坚定了南云对中途岛进行第二次空袭的决心。那一刹那，他似乎忘记了自己这一仗的主要目标其实是美军航母，直到一份催命符一样的电报突然来临。
7点28分，起飞最晚的日军4号侦察机由于航向偏移，意外地飞到了中途岛北方的TF17上空。机长甘利洋司被面前的情景吓了一大跳，立即向“赤城号”告警：“发现10艘军舰，似为敌舰。”南云回电：“查明敌舰种并保持接触。”8点09分，甘利在猛烈的高射炮火中回复：“敌军兵力为5艘巡洋舰，5艘驱逐舰。”
敌舰既已出现，如梦方醒的南云当然不敢再和中途岛纠缠。7点45分，“赤城号”发出了著名的“二次换弹”命令：“赤城号”和“加贺号”的36架九七式攻击机重新卸掉800公斤炸弹，改挂九一式航空鱼雷，准备袭击新发现的美国舰队。由于时间紧迫，卸下的炸弹并未按规定送回弹药库，而是临时堆置在机库的地板上。较小的“苍龙号”和“飞龙号”则准备了36架九九式轰炸机（每架带1枚250公斤炸弹），准备和鱼雷机一起发动对舰攻击。在二次换弹期间，4艘航母各自起飞9架零式战斗机，加强对舰队上空的保护。