中途岛，对于这场战役，有人叫做“中途岛战役”，有人称为“中途岛海战”，其实这些叫法都对。中途岛海战是太平洋战争的转折点，此时距离日本偷袭珍珠港仅仅6个月。自此之后，日军再未获胜，再也乐观不起来。
由于破译了日军情报，美军早在1942年6月就掌握了日军的目标和行动大概日期。这样的信息对于美国太平洋舰队司令尼米兹而言，就意味着他不必分散军力，只用将兵力集中用于防卫中途岛即可。同样，日军至少也预料到美军将会严防死守，所以除了阿留申群岛的突击部队外，日军集中了剩下所有可以利用的海军兵力，和美军打一场期待已久的决定胜负的战争。洞悉日军的意图，6月3日，当“隼鹰”号和“龙骧”号航母舰载机袭击荷兰港时，美军并没有在阿留申群岛浪费过多兵力，而是全力投入中途岛。要知道，在中途岛战役正式开始两天前，美军暂时未能侦察到日军舰队。
6月3日，美军发起攻击行动，中午时分，美国陆军航空队出动波音B-17“堡垒”轰炸机前往轰炸试图登陆中途岛的日军。但是，重型轰炸机对海上航渡舰船实施轰炸的难度很大，这是因为舰船可以在海上进行机动规避，在风速、风力未知的情况下，要想准确无误击中一艘军舰太难了。
渊田美津雄由于患上阑尾炎不得不做手术，这种手术有一定风险，实施起来比较困难。当时，渊田美津雄在“赤城”号航母上作战，一艘驱逐舰前来接他去医院治疗，被他谢绝了。在此情况下，只好由随舰医生为他动刀，方便他随时为上司提供作战建议。6月4日，也就是开战当天，渊田美津雄还住在航母水线下的病房里。
前一天刚拆了线，身体还很虚弱，渊田美津雄就着急前去探望即将起飞的飞行员。虽然身体很虚弱，但在飞机起飞前，渊田美津雄仍然坚持前往航母控制中心。他发现，友永丈市上尉接替自己指挥此次空战。他担心的是，由于侦察方式存在问题，大面积海域未能覆盖。虽然事先预料到美军防守兵力可能很强，却低估了美军太平洋舰队的航母数量。
破晓时分，日军第一波100多架飞机从航母上起飞，前往中途岛攻击美军。但是，就在此期间，美国陆军航空队和海军的飞机也从中途岛上起飞，攻击他们所发现的日军航母编队，他们不但打乱了日军舰队队形，还炸死了甲板上许多人员。日军高射炮猛烈开火，几架“零”式战斗机仓促起飞应战，击落了17架美军飞机。
“太好了！”渊田美津雄大声喊道。美军一架B-26“劫掠者”轰炸机从“赤城”号舰桥上空大约30英尺高度擦过，向“飞龙”号航母俯冲过去，却一头扎进海里，机毁人亡。
日军飞机虽给中途岛上的美军设施造成较大破坏，却未能使美军机场瘫痪，也未能摧毁防空火力。于是，南云忠一决定发起第二波进攻，希望彻底击溃美军。然而，第二波进攻并没能立即执行，这是因为在此之前，所有飞机都装上了鱼雷准备攻击美舰。如今，为了攻击岸上基地，必须将鱼雷卸掉换成炸弹。
然而，等这一切完成后，日军侦察机发回电报，称发现了10艘美舰。南云慌忙改变主意，再次命令将将飞机上的炸弹换成鱼雷。这时候，日军还不知道这支美军舰队之中有航空母舰，由于美军轰炸机在此前进攻中并没有战斗机护航，日军误认为美军并没有航母。更加糟糕的是，南云甚至决定等第一波飞机安全降落后，再发起第二波进攻。此时，机库甲板上的军械师们忙成一团，一会儿装炸弹，一会儿卸炸弹，来不及把卸在甲板上的炸弹送进弹药库。
就在日本人等待第一波飞机降落的时候，9时正，日军侦察机报告称发现一艘美军航母，判断可能是“约克城”号。第一波飞机终于降落了，并返回机库。紧接着，日军第二攻击波飞机离开机库，排列在飞行甲板上，随时准备起飞。就在这时，美军指挥官斯普鲁恩斯出动了“企业”号和“大黄蜂”号航母上的所有舰载机，弗莱彻也派出“约克城”号上的一半飞机，共计156架飞机。
美军第一轮进攻主力是41架“破坏者”鱼雷轰炸机。当时，鱼雷轰炸机是海战中对付军舰的最佳武器，正如美国海军一位上将所分析那样：“从水下攻击军舰要比从上面容易得多，可使得海水迅速灌入船舱，进而发生倾覆。”不过，当美军“破坏者”鱼雷轰炸机朝日军战舰低空逼近时，至少有35架被敌人击落，机组人员来不及逃生，飞机就已经坠入大海。损失最惨重的是“约克城”号上的第3鱼雷攻击机中队，仅有1架飞机幸免。此前，日本海军曾担心将重蹈珊瑚海海战的覆辙，在重新找回自信后，他们又开始狂妄起来，料想这次一定会打大胜仗。
的确，日本人仅仅一早上就击落了50多架美机。同时，日本人丝毫没有怀疑美军仅有1艘航母。
日军雷达很早就探测到第二波美机正从高空接近，但还是漏掉了19000英尺高度的“无畏者”俯冲轰炸机。此时，日军注意力仍在低空轰炸机上。10时22分，美军第一架俯冲轰炸机脱离编队朝“加贺”号冲来，射出12条1000磅的鱼雷，有4条击中目标。
渊田美津雄最早发现美军来袭，当时他正在“赤城”号航母上埋头记录战况。发现情况不对时，他立即大声呼叫控制中心。短短数秒内，日军航母上的高射炮猛烈开火。由于所处位置较为有利，他看到第一枚炸弹落空，猜测第二架美机上的飞行员看到这一情况后将相应调整。他没有猜错，第一枚炸弹错过目标30英尺，在海里发生爆炸，溅起的海水打在舰桥上，落到了一些日本士兵的脸上。
渊田美津雄判断第二枚炸弹将会击中航母，果不其然，一枚炸弹穿过舰体中央的升降机，落在机库里。紧接着，第三枚炸弹冲过飞行甲板撞到左舷上，也落到机库里。两枚炸弹都在下面爆炸，一波接着一波，每枚炸弹大约1750磅。原先摆在甲板上的鱼雷一个接一个爆炸，甲板上刚加满油的舰载机也爆炸了，冒出浓浓黑烟。甲板下方，一架飞机爆炸起火，两边的飞机也无一幸免。甲板上烈火熊熊，甲板下也成了火海。
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