Hacia las 08:30, los informes de los aviones exploradores que había enviado el almirante Nagumo, confirmaban definitivamente la inexistencia de portaaviones enemigos en el área que habían sobrevolado. Con lo que se acordó definitivamente lanzar la segunda oleada sobre Midway.
A las 08:35, un mensaje del hidroavión del Tone, indicó que había detectado un portaaviones cerca de la flotilla que poco antes había avistado. El almirante Nagumo presumió ahora lo peor y quedó absorto en el puente del Akagi. El resto de los oficiales guardaba un respetuoso silencio.
El almirante creia que podría tratarse del USS Enterprise o del USS Hornet, para él, el USS Yorktown estaba en el fondo del Mar de Coral. Sin embargo, era el USS Yorktown el avistado y era el más cercano. Justamente en ese momento, el USS Yorktown también lanzó sus aviones al encuentro del enemigo, mientras que los del USS Enterprise y del USS Hornet ya estaban cerca de la flota japonesa. Para estos aviones era imprescindible encontrar lo más pronto posible a la fuerza de ataque japonesa, que sabían que estaba al borde de su radio de acción, y por lo tanto, tenían que calcular sus reservas de combustible.
A las 09:00, el almirante Nagumo enjuició la situación. Sabía que la aviación enemiga con base en tierra estaba liquidada, la defensa antiaérea japonesa había funcionado eficazmente, sin bajas, y sólo se había avistado un solitario portaaviones y una flotilla de 10 naves menores. Haciendo caso al consejo del capitán Genda, subió todos los aviones a la cubierta y ordenó cargarlos con torpedos.
Hacia las 09:18 ordenó a la fuerza de portaaviones y escoltas tomar rumbo hacia el norte, a la máxima velocidad de 30 n, en busca de la fuerza enemiga. Se tardó más de 20 minutos en tener a toda la fuerza operativa naval navegando a toda velocidad, para lograr abandonar la zona inicial de lanzamiento. Este cambio de posiciones dificultó la búsqueda por parte de los estadounidenses. A las 09:20, los aviones estaban listos para el despegue y se preparó la cubierta para la maniobra.
En ese momento, unos 15 aviones fueron avistados en el horizonte, volando a baja altura. Frenéticamente, las cubiertas fueron despejadas de aviones y se hizo despegar a los aviones de escolta, mientras se preparaba la defensa antiaérea para repeler el ataque. Aún no se abandonaba completamente la zona de lanzamiento inicial. Era la primera oleada de aviones estadounidenses con base en portaaviones.
Los aviones atacantes eran 14 torpederos Douglas TBD Devastator del USS Hornet, al mando de John Waldron. Atacaron directamente al Akagi y al Kaga. Volando casi a ras del agua, comenzaron a lanzar sus torpedos, mientras que unos 50 cazas Zero atravesaban su propia artillería antiaérea, para atacar a los Grumman TBF Avenger.
La efectiva barrera antiaérea fue derribando uno a uno a los atacantes, Waldron estuvo entre las primeras víctimas. Justo cuando alcanzó a soltar un torpedo, fue abatido junto con sus cazas pareja; otros fueron derribados por los Zero.
El alférez George Gay seguía a Waldron, su objetivo era el Kaga. Lanzó su torpedo a 800 m , y cuando ascendía a máxima velocidad fue acribillado por el fuego antiaéreo, perdiendo altura. Pasó sobre el puente del portaaviones japonés, y fue a caer a popa del gran portaaviones. El Akagi le seguía atrás. El avión cayó entero y suavemente al mar. El piloto salió de la cabina y trató de salvar a su artillero, pero no pudo sacarlo de la carlinga de la ametralladora, antes de que se hundiera el aparato en el mar. Gay fue el único superviviente de la escuadrilla de Waldron, y arrastrado por la estela del Akagi fue un espectador de primera línea.
Otra formación de 14 aviones torpederos estadounidenses, atacó por el otro flanco de la formación japonesa. Estaban comandados por Eugene E. Lindsey del USS Enterprise, que seguía la misma estrategia de Waldron. Los Zero nuevamente se abalanzaron sobre ellos antes de que alcanzasen la distancia de lanzamiento de torpedos. Fueron derribados 10 aviones, de los 14 iniciales.
Una tercera formación de 13 aviones, dirigida por Lance E. Massey provenientes del USS Yorktown, inició el ataque. Se metieron de lleno en la barrera antiaérea junto con los Zerodefensores. Sólo quedó un avión estadounidense. Hasta ese momento el balance estaba inclinado del lado japonés.
A las 10:20 de ese 4 de junio de 1942, el balance era de 80 aviadores estadounidenses muertos en acción; sin duda, contra la más efectiva barrera antiaérea naval.
El almirante Nagumo estaba satisfecho, ya que no había sufrido daños, pero la cantidad de aviones atacantes le indicó que había más de un portaaviones enemigo cerca. El comandante Yamaguchi le grita e implora prácticamente, por el señalero de luz, que desea hacer despegar ya sus aviones, el almirante Nagumo está confundido, y da la orden de subir sus aviones a cubierta. Quiere una salida simultánea de todas las aeronaves, exasperando a un ansioso contraalmirante Yamaguchi del Hiryu.