中途岛守军鼓起勇气，准备经受这场考验。06：30，营指挥所通知所属部队：“目标进入我射程之内就开火。”这时天空晴朗，对于高炮射击来说，能见度良好。沙岛和东岛上的沙袋工事以及沙筑的炮兵掩体为炮兵提供了良好的防护。不在高射炮炮位及其他自动火器岗位上的人都挤在防空掩体、狭长堑壕以及类似的工事里。
值星军官汤普森也希望亲自上阵打几下。他和计时员两人从VMSB中队待机室搬来一台电话，又从一架报废的SB2U-3里搬来一挺机枪和一些子弹，然后在附近的机枪掩体里把它们架设起来。礁湖中鱼雷艇也已出动，艇上的机枪，甚至连步枪和手枪都进入了戒备状态。
约翰·福特守候在东岛发电站的屋顶上。他看到守军在“异常镇静”、简直是“懒洋洋的”气氛中等待着即将临头的袭击，惊叹不已地说：“他们好像一直就是在这样的气氛中生活的。”
新安装在沙岛上的雷达是能够提供距离、方位和高度的仅有的几部雷达之一。从它上面看出，敌轰炸机还在向中途岛逼近。激烈的空战对日本的轰炸任务影响甚微。懂行的海军陆战队员们十分钦佩地注意到友永的飞行员靠娴熟的技术和严格的纪律保持着队形。一架轰炸机被击落后，V形编队中的其他飞机就重新组合，继续保持原来的航向和航速。
水平轰炸机首先到达中途岛上空。它们的任务之一就是压制敌高炮火力，为俯冲轰炸机以及进行低空攻击的零式机扫清道路，然后再去轰炸机场和其他设施。“飞龙号”上的飞机集中袭击沙岛。“苍龙号”上的飞机分成两批，第一中队协同“飞龙号”上的飞机在沙岛上空作战，第二中队轰炸东岛。这两批飞机还没来得及投弹，“飞龙号”上的两架轰炸机就被南云所说的“猛烈的高射炮火”击落。
汤普森少尉发现炮弹炸点似乎都稍稍偏离敌机，但他也看见一发炮弹命中目标，在空中炸开了。他抓起望远镜观察，看见这架飞机脱离编队，一头栽了下去，但没有人跳伞。
许多目击者都以为日本的领队飞机被高炮击中了。其实，虽然友永的轰炸机左翼油箱被击中，可他还是返回了“飞龙号”。返航后，他把菊地六郎大尉被高炮火力击中而英勇阵亡的事作了汇报。菊地知道自己必死无疑了，就打开舱盖向战友们挥手诀别，然后关好舱盖，一头栽了下去。
菊地的飞机刚坠落，一名头脑灵活的黑人炊事兵就奔到飞机残骸边，把飞行员的尸体拖了出来。拉姆齐也接踵而至。他检查了死者的衣袋，想找到一些有情报价值的东西。这时第一波攻击飞机已经临空，炸弹像雨点般倾泻而下。拉姆齐和赛马德纵身跳进了掩体。
鱼雷艇上的人员清楚地看见第二架日机的坠落。他们看见那架轰炸机轰然起火，溅落在礁湖之中，飞机上的炸弹掉在离飞机溅落处不远的地方，两处落点都离鱼雷艇很近。
水平轰炸机集中对沙岛实施猛烈轰炸。“飞龙号”的第一中队击中了该岛东北角的油罐，“苍龙号”的第一中队打哑了一个高炮阵地。由于水平轰炸机和俯冲轰炸机从一开始就协同进攻，所以无法准确说明它们各自的战绩。
美战斗机先是全力以赴地对付日本机群中打头阵的水平轰炸机，接着又要施展浑身解数与讨厌的零式机周旋，所以“赤城号”和“加贺号”上的俯冲轰炸机飞临中途岛上空时未伤着一根毫毛，飞离时也安然无恙，实在是令人羡慕。千早等飞行员们的任务是袭击东岛的机库和其他航空设施，他们也未受损失。由小川海军大尉率领的全部俯冲轰炸机以及“加贺号”上的飞机中，有1架被高炮击落，4架受损伤，但还没有报废。
沙岛遭俯冲轰炸机袭击时，VMCR-241中队的飞行员罗伯特·W.沃佩尔少尉暂时没有起飞，因为机械师正忙着给他的飞机调换火花塞。他看见高炮击中了一架敌机。他后来回忆说：“飞机起火后还继续在编队中飞行了很长一段时间，直到最后失去控制而打起转来。”
东岛刚开始遭空袭时发生的一件事，谁看了也不会忘记。“突然间，领队日机离开机群……它俯冲到离地面大约100英尺时，翻转机身，仰面朝天、悠哉悠哉地从停机坪上方飞过。”有人看见驾驶员把拇指放在鼻子上以示嘲弄。这是故意分散守军注意力，还是对这些在第一航空舰队面前表现平平的敌人表示蔑视？抑或纯粹是装模作样的虚张声势？谁知道呢？不管驾驶员动机如何，这件事让美国人看得目瞪口呆，有好几秒钟都忘了射击。后来“……蓦地，有个陆战队员说了声‘搞他妈什么鬼名堂’，接着就向那架飞机开火。它被击中后摇摇晃晃地钻进了大海”。
倾泻在东岛上的炸弹全部落在二号跑道以北。有一颗炸弹落在靠近一号跑道东端的中央。这显然是“苍龙号”上的第二水平轰炸机中队干的。千早的一架俯冲轰炸机把同一条跑道上距东端500码处炸了个大坑。另一架俯冲轰炸机不偏不倚正好击中VMF-221中队的弹药补给坑，诱爆了8颗100磅的炸弹以及1万发口径0.5英寸的弹药，造成4名维修人员死亡。
福特出于导演的本能，把摄影机对准了机库。他认为这将是轰炸的主要目标。果然，它被一个“交了好运的日本人击中，而且肯定是击中了里面的一些炸药，所以整个机库都飞上了天”。福特的肘部和肩都被霰弹炸伤，他有点“被震呆了”。但他拍到了镜头。这是他后来正式的纪录片《中途岛之战》中一个值得记忆的场面：一块“巨大的爆炸碎片”直冲着摄影机飞了过来。
一位年轻的陆战队员替福特包扎好伤口，并真诚地告诉他：“别去找那个军医，我们来照顾你……”
06：38，一架俯冲轰炸机炸毁了发电站，使岛上的供电设施和蒸馏水厂陷于瘫痪。这也许是对东岛造成的最大破坏。水平轰炸机还炸毁了码头区和主要贮油区之间的输油管路，造成了十分严重的破坏。这些管道在遭袭之前本来就一塌糊涂，从这以后，作业队员就得不分昼夜地靠人工为飞机加油，而且是从沙岛借来的3000桶汽油。福特发现日本人“没有轰炸机场……”，他猜到“日本人是想把机场留给当天晚些时候在该机场着陆的日机使用”。
一颗炸弹落进陆战队的伙房，炸得锅碗瓢盆一齐飞上了天，把平常储备的食品全炸成了齑粉，害得陆战队员们在战斗结束前一直吃应急口粮。另一颗炸弹把随军小卖部炸得稀巴烂，啤酒罐头被炸得像霰弹一样四下横飞。有一名机枪手被一只罐头砸在太阳穴上，当即被砸昏。他醒来后喘着大气说：“我空肚子的时候从来不喝啤酒！”这颗炸弹还震开了装着香烟的纸箱，震散了香烟的包装盒。一阵白色的香烟雨四处飘散。陆战队员们高高兴兴地捡起了外快，谁捡到就归谁。
日本人的注意力主要在沙岛。三个贮油罐被彻底炸毁。炸弹可能是“飞龙号”上第一中队的一架水平轰炸机投下的。这些油罐的油整整烧了两天，滚滚的浓烟使整个损失看起来比实际上的要大得多。高射炮的火力发挥也因为弥漫的浓烟而受到影响。
陆战队驻地的一条从海里抽水的管道被一颗炸弹炸断。一个水上飞机的机库被“加贺号”上的一架俯冲轰炸机炸毁起火。禁闭室也被炸平，好在当时里面没有关人。其他各类建筑物，有的被炸，有的因炸弹落在附近，有的因弹片，也有的因气浪冲击，都遭到不同程度的破坏，发生晃动。
屋顶上画着巨大红十字的海军诊疗所被两颗炸弹以及爆炸后燃起的大火夷为平地。海军洗衣房也挨了一颗炸弹，被炸塌一部分。拉姆齐的衣服也和那里的东西一起化为灰烬，只剩下身上穿的衣服。据说6月12日他回珍珠港后被尼米兹召见时，穿的还是那一身衣服。尼米兹低声说：“我知道，你身上全是——嗯——鹰。也许你会喜欢这些银鹰的。”他当即就把晋升拉姆齐为上校的推荐书拿给他看了。
紧跟在轰炸机后面蜂拥而至的是战斗机。它们向发现的所有目标扫射，并与剩下的布鲁斯特式展开了最后的格斗。休斯上尉发现水平轰炸机前脚刚走，俯冲轰炸机后脚就顺着日光的方向俯冲下来。他看见2架F2F与日机厮杀，1架美机栽下来。地面上一阵猛烈的掩护火力救了第二架美机的命。“当零式机向他们发起进攻时，他俩都像被绳子拴住了似的，”休斯愤愤地说，“我相信，我们的飞机性能只要有零式机的一半，就完全可以制止这次空袭。”
欧文少尉设法将2架零式机引进对空火力网，但他发现地面高炮火力其实并没有使零式机感到害怕。他事后说：“日本人根本没有把我们的地面对空火力放在眼里，因为炮弹总是在目标后边爆炸。”欧文看见只有一架日战斗机被地面炮火击落。这架飞机在大约100英尺的高度进行扫射，对空火力几乎不可能打不着它。
沃佩尔少尉也目睹了击落这架日机的情形。据他说，日机飞得还要低，大约只有25英尺。它摔落在离VMF中队待机室不远的地方。汤普森少尉和他的计时员分别用机枪和步枪猛烈地向那架俯冲轰炸机射击，但劳而无功。他们看见高炮击中这架零式机的油箱，飞机当即轰燃起火。
汤普森用机枪向大约6架日机扫射后，机枪卡了壳。他排除了故障，和他的好帮手一起向飞近他们机枪掩体的日机射击。他事后说：“接近我们的飞机不多，因为敌人似乎对我们附近的目标不感兴趣。”他俩发现，敌人在扫射了一通之后，就不再到机场中央来了。
这时，岛上的守军，尤其是被打得焦头烂额的VMF-221中队的幸存者们，没有一个想对零式机的飞行员发善心的。到此时为止，如果说战斗一直呈一边倒之势，仗的本身倒也打得光明正大。但是，帕克斯少校惨死的情景使大家感到很悲愤。陆军航空队联络官沃纳少校悲愤交加，难以成语。他挥笔疾书了一份报告，连正式报告中应该注意的拼法、语法和标点符号也忽略了：“他一开火小日本就朝他攻来，甚至他在礁石降落时也不放过他。这个敌人是地地道道的冷酷无情之徒，虽然我不同意那种说小鬼子会拿飞机去撞别人或去冒不值得冒的危险的说法。不要上当认为鬼子像我们一样想活命，这已被反复证明了的……”
鱼雷艇上的人亲眼看见零式机向跳伞的帕克斯扫射。两条救生筏试图赶到现场，但为礁石所阻，无法通过。不过他们却救了梅里尔上尉。梅里尔在礁石附近海面迫降后，三等水兵E.J.斯图亚特从救生筏上跳进海里，不顾戳人的礁石以及拍打礁石的海浪的冲击，游上去把溺水的梅里尔从危险中救了出来。
06：43，南云收到友永的电报：“我们已完成任务，正在返航。”315分钟后，中途岛上的雷达向营指挥所报告：“许多敌机沿300°方位离去。”但是到07：15赛马德才发出解除空袭的警报，召回飞机并与参谋人员一起统计损失情况。凯姆斯电告VMF-221中队：“战斗机降落，按分队加油，第五分队先加。”他没有得到答复，于是又把命令重复了几次，接着又重复，“战斗机全部降落，补充油料和弹药。”后来凯姆斯回忆说：“收到电文而返回的战斗机少得可怜。我们都估计不会再有飞机降落了。”他说得很对。26名飞行员中有14名在点名时永远也不会答“到”了。另外还有几人受了伤。能继续作战的战斗机只剩下2架。
他们付出如此大的代价，可战果如何呢？长期以来，对这场空战的结果以及被中途岛上高炮击落的飞机数，双方都吃不准。南云的正式报告宣称，这次战斗中有41架美国战斗机肯定被击落，另外还有9架很可能被击落。美方总共只有26架飞机，可是却有50架被击落，人们不得不承认这样的射击技术简直太高超了。如果在空中的陆战队的战斗机在敌人眼里1架成了2架，他们的作战一定是异常英勇的。确实，从他们所驾驶的飞机质量来看，他们能侥幸活下来，这本身就是一个奇迹，更不用说他们还给日本人造成了损失。
当时美国人所报的空战战绩也被过分夸大了。他们说日本人在空战中损失了40-50架飞机，另有10架被地面炮火击落。南云在作战过程报告中列出的飞机损失为6架（轰炸机4架，零式机2架）。日本方面的说法大多与这个数字相一致。后来在“遭受损失”这个栏目下，南云承认总共损失了8架飞机。他在报告的统计数字部分，细分了损失情况。空战中损失5架（水平轰炸机3架，零式机2架），另有4架被高炮击落（其中水平轰炸机2架，俯冲轰炸机1架，零式机1架）。这里说的被高炮击落的飞机数目和美方目击者的回忆完全吻合。此外，南云还列出了受损伤的飞机数：水平轰炸机16架，俯冲轰炸机4架，零式机12架。其中2架零式机因损伤程度过大，返回航空母舰后就报废了。当然，这些数字并非就准确无误。譬如，南云并没有列出“飞龙号”上的高空轰炸机的损伤情况，但读者已经知道，友永的飞机被击中，而且他当时就用无线电向南云作过报告，但南云及其幕僚有许多紧迫问题要处理，无暇考虑如何使这些说法不一的受损报告一致起来。
赛马德对日方损失的乐观估计是基于他对中途岛遭破坏的程度与最初发现日本攻击部队的规模所进行的比较，可惜他错误地计算了飞临中途岛的日机数量，而且一厢情愿地估计被击落的美国人的战绩至少和生还者的一样好。凯姆斯有些迷惑不解地回顾说：“幸存的飞行员们觉得，开始交战时看到敌机数量众多，可是它们投弹的数量很少，这二者之间很矛盾。”一定是计算上出了差错，不是飞机数量，就是炸弹数量，或者是两者都算错了。如果只计算返航飞行员所看到的被击中起火的敌机，那么可以肯定有8架轰炸机被击落，另外还有1架可能被击落，有3架零式机肯定被击落，还有1架可能也被击落。这样算，所得的总数就比较切合实际，而且与日本官方发布的数字相差无几。陆战队飞机中队的飞行员们相信每个牺牲的队友至少都击落了1架日机，这显然是可以理解的。但是，比较合乎逻辑的看法应当是：真正击落敌机的，是那些技术好、运气也好，与零式机交手并活下来的飞行员。
总而言之，这些都无关紧要。即使完全让第六营来对付友永的机群，即使当岛上的守军从掩体中出来时就派战斗机去掩护寻歼南云的航母部队的陆基轰炸机，中途岛的命运也不会有多少变化。
实际上，中途岛上的情况比预想的要好。地面上大约有20人死亡，数字相当小。跑道只受到轻微的破坏，以至于赛马德只能这样认为：日本人是故意不炸跑道，以便留给他们自己用。岛上的伪装十分有效。空袭后的检查发现，遭破坏的设施大多数都能修好。于是，大家全体出动，努力恢复供电，修复供水管道和下水管道，扑灭零星小火，清除瓦砾废墟。
友永千方百计地让受伤的飞机飞回会合点，对于袭击中途岛的战绩不甚了了。后来他在航母大海战中阵亡了，所以他对自己看到的情况和自己的空袭任务进行掂量时，脑子里想的是什么，别人就不得而知了。但他显然是不会满意的。他在执行任务时没有遇上轰炸机或巡逻机——尼米兹称它们为“重家伙”——而且简易机场的跑道状态良好，这些飞机返回时可以在上面降落。此外，中途岛上的高射炮仍在进行对空射击。日本的登陆部队可能会受到“热烈”的欢迎。
这肯定就是友永的逻辑的实质所在。他的发报机被机枪子弹打坏了，因此他把自己的建议写在一块小黑板上。他举起黑板，这样他的二号机就能看见，并用他的名义把建议发给南云。这条建议于07：00发出：“有必要发动第二次攻击。”