中途島，對於這場戰役，有人叫做“中途島戰役”，有人稱為“中途島海戰”，其實這些叫法都對。中途島海戰是太平洋戰爭的轉折點，此時距離日本偷襲珍珠港僅僅6個月。自此之後，日軍再未獲勝，再也樂觀不起來。
由於破譯了日軍情報，美軍早在1942年6月就掌握了日軍的目標和行動大概日期。這樣的信息對於美國太平洋艦隊司令尼米茲而言，就意味著他不必分散軍力，只用將兵力集中用於防衛中途島即可。同樣，日軍至少也預料到美軍將會嚴防死守，所以除了阿留申群島的突擊部隊外，日軍集中了剩下所有可以利用的海軍兵力，和美軍打一場期待已久的決定勝負的戰爭。洞悉日軍的意圖，6月3日，當“隼鷹”號和“龍驤”號航母艦載機襲擊荷蘭港時，美軍並沒有在阿留申群島浪費過多兵力，而是全力投入中途島。要知道，在中途島戰役正式開始兩天前，美軍暫時未能偵察到日軍艦隊。
6月3日，美軍發起攻擊行動，中午時分，美國陸軍航空隊出動波音B-17“堡壘”轟炸機前往轟炸試圖登陸中途島的日軍。但是，重型轟炸機對海上航渡艦船實施轟炸的難度很大，這是因為艦船可以在海上進行機動規避，在風速、風力未知的情況下，要想準確無誤擊中一艘軍艦太難了。
淵田美津雄由於患上闌尾炎不得不做手術，這種手術有一定風險，實施起來比較困難。當時，淵田美津雄在“赤城”號航母上作戰，一艘驅逐艦前來接他去醫院治療，被他謝絕了。在此情況下，只好由隨艦醫生為他動刀，方便他隨時為上司提供作戰建議。6月4日，也就是開戰當天，淵田美津雄還住在航母水線下的病房裡。
前一天剛拆了線，身體還很虛弱，淵田美津雄就著急前去探望即將起飛的飛行員。雖然身體很虛弱，但在飛機起飛前，淵田美津雄仍然堅持前往航母控制中心。他發現，友永丈市上尉接替自己指揮此次空戰。他擔心的是，由於偵察方式存在問題，大面積海域未能覆蓋。雖然事先預料到美軍防守兵力可能很強，卻低估了美軍太平洋艦隊的航母數量。
破曉時分，日軍第一波100多架飛機從航母上起飛，前往中途島攻擊美軍。但是，就在此期間，美國陸軍航空隊和海軍的飛機也從中途島上起飛，攻擊他們所發現的日軍航母編隊，他們不但打亂了日軍艦隊隊形，還炸死了甲板上許多人員。日軍高射炮猛烈開火，幾架“零”式戰鬥機倉促起飛應戰，擊落了17架美軍飛機。
“太好了！”淵田美津雄大聲喊道。美軍一架B-26“劫掠者”轟炸機從“赤城”號艦橋上空大約30英尺高度擦過，向“飛龍”號航母俯衝過去，卻一頭扎進海里，機毀人亡。
日軍飛機雖給中途島上的美軍設施造成較大破壞，卻未能使美軍機場癱瘓，也未能摧毀防空火力。於是，南雲忠一決定發起第二波進攻，希望徹底擊潰美軍。然而，第二波進攻並沒能立即執行，這是因為在此之前，所有飛機都裝上了魚雷準備攻擊美艦。如今，為了攻擊岸上基地，必須將魚雷卸掉換成炸彈。
然而，等這一切完成後，日軍偵察機發回電報，稱發現了10艘美艦。南雲慌忙改變主意，再次命令將將飛機上的炸彈換成魚雷。這時候，日軍還不知道這支美軍艦隊之中有航空母艦，由於美軍轟炸機在此前進攻中並沒有戰鬥機護航，日軍誤認為美軍並沒有航母。更加糟糕的是，南雲甚至決定等第一波飛機安全降落後，再發起第二波進攻。此時，機庫甲板上的軍械師們忙成一團，一會兒裝炸彈，一會兒卸炸彈，來不及把卸在甲板上的炸彈送進彈藥庫。
就在日本人等待第一波飛機降落的時候，9時正，日軍偵察機報告稱發現一艘美軍航母，判斷可能是“約克城”號。第一波飛機終於降落了，並返回機庫。緊接著，日軍第二攻擊波飛機離開機庫，排列在飛行甲板上，隨時準備起飛。就在這時，美軍指揮官斯普魯恩斯出動了“企業”號和“大黃蜂”號航母上的所有艦載機，弗萊徹也派出“約克城”號上的一半飛機，共計156架飛機。
美軍第一輪進攻主力是41架“破壞者”魚雷轟炸機。當時，魚雷轟炸機是海戰中對付軍艦的最佳武器，正如美國海軍一位上將所分析那樣：“從水下攻擊軍艦要比從上面容易得多，可使得海水迅速灌入船艙，進而發生傾覆。”不過，當美軍“破壞者”魚雷轟炸機朝日軍戰艦低空逼近時，至少有35架被敵人擊落，機組人員來不及逃生，飛機就已經墜入大海。損失最慘重的是“約克城”號上的第3魚雷攻擊機中隊，僅有1架飛機倖免。此前，日本海軍曾擔心將重蹈珊瑚海海戰的覆轍，在重新找回自信後，他們又開始狂妄起來，料想這次一定會打大勝仗。
的確，日本人僅僅一早上就擊落了50多架美機。同時，日本人絲毫沒有懷疑美軍僅有1艘航母。
日軍雷達很早就探測到第二波美機正從高空接近，但還是漏掉了19000英尺高度的“無畏者”俯衝轟炸機。此時，日軍注意力仍在低空轟炸機上。10時22分，美軍第一架俯衝轟炸機脫離編隊朝“加賀”號衝來，射出12條1000磅的魚雷，有4條擊中目標。
淵田美津雄最早發現美軍來襲，當時他正在“赤城”號航母上埋頭記錄戰況。發現情況不對時，他立即大聲呼叫控制中心。短短數秒內，日軍航母上的高射炮猛烈開火。由於所處位置較為有利，他看到第一枚炸彈落空，猜測第二架美機上的飛行員看到這一情況後將相應調整。他沒有猜錯，第一枚炸彈錯過目標30英尺，在海里發生爆炸，濺起的海水打在艦橋上，落到了一些日本士兵的臉上。
淵田美津雄判斷第二枚炸彈將會擊中航母，果不其然，一枚炸彈穿過艦體中央的升降機，落在機庫裡。緊接著，第三枚炸彈衝過飛行甲板撞到左舷上，也落到機庫裡。兩枚炸彈都在下面爆炸，一波接著一波，每枚炸彈大約1750磅。原先擺在甲板上的魚雷一個接一個爆炸，甲板上剛加滿油的艦載機也爆炸了，冒出濃濃黑煙。甲板下方，一架飛機爆炸起火，兩邊的飛機也無一倖免。甲板上烈火熊熊，甲板下也成了火海。
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