1942年4月18日，美国太平洋舰队总司令尼米兹组织轰炸日本本土的计划付诸实施。这之前的4月2号，美国特混舰队航空母舰“企业”号、“大黄蜂”号在6艘战列舰的护航下，经15天到达日本海军远程警戒区，在离日本本土只有700海里的海域，被日本伪装成渔船的“东丸”号发现。美军为避免日本特混舰队的飞机赶来作战，不等舰队进入预定位置，就命令轰炸机起飞。4月18日，杜利特中校率领的16架B-25轰炸机快速低空飞行600多海里，进入东京、名古屋、神户和横须贺军港上空投弹轰炸。然后又在向东飞行后绕道到中国南昌机场和丽水机场着陆，以防日战斗机追踪发生空战。这次空袭震动了日本朝野，从居民到天皇都惊恐不已。日本联合舰队总司令山本五十六为此三次向天皇请罪，同时暗下决心要歼灭美国太平洋舰队中的航空母舰，以杜绝舰载飞机飞临日本本土。为此，山本制订了发动中途岛海战的计划。

1942年5月5日，日本大本营决定组织海空军攻取中途岛和阿留申群岛。此战由山本作总指挥。进攻中途岛的军队由“赤诚”号、 “加贺”号、 “飞龙”号、 “苍龙”号4艘航空母舰、297架舰载飞机及其他一些舰艇组成，总兵力5800余人。山本的作战意图，包括夺取战略要地中途岛，但主要之点，是以优势兵力诱歼美国的3艘航空母舰。按山本掌握的情报，中途岛海域当时没有美国的航空母舰。因此计划日本航空母舰在中途岛附近海域隐蔽，待美国航空母舰赶来支援中途岛作战时，日本处于主动的地位，预计可以取胜。另一支军队进攻阿留申群岛，作战意图之一是使美国分散兵力，二是使尼米兹难以分析判断日军的攻击方向和实际目的。然而，由于美军事先截获、破译出了日本海军的大批电报密码，因而已基本掌握了日军进攻中途岛的作战计划和具体部署。原来，早在1942年3月，日本海军电报密码中就出现过“AF”这一地名的代词。到5月，日军电报中反映出将有一次大规模军事行动的迹象，这一行动与一再出现的“AF”一词有关。美军情报人员为分析“AF”所代表的地名，查阅了原来集存的日军堆积如山的电报。后来查到一份电报，电文写的是一架飞机通过“AF”附近的空域到中途岛以东弗伦奇弗里格特礁由潜艇为其加油。据此，已可初步判断“AF”代表的正是中途岛，并由此可见日军计划中的大规模军事行动与中途岛有关。为了进一步弄清“AF”的含义，在尼米兹总司令的特许下，情报人员从中途岛故意发出一份低级密码电报，称“本地淡水蒸馏设备发生故障”。这里说的“低级”，是指用英语以一般密码发出的。当时美国军用通讯电报，是以印第安人的语言组成的文字，用复杂的密码构成的。这种高级军情电报密码，日本情报人员虽挖空心思，也是无法破译的。此后不多久，日军果然在电报中提到了“AF”可能缺乏淡水的内容。这样，美海军情报机构经过破译电报和大力侦察，已相当细致地弄清了日本将进攻中途岛，以及舰队、兵员数量、番号、进攻航线和时间、舰长姓名等具体情况。

1942年6月3日前，美国第16、17两支特混舰队离开珍珠港到中途岛东北200海里处隐蔽。同一天，日本南云忠一中将率4艘航空母舰及整个编队到中途岛西北240海里处准备进攻：也在这一天，日本担负在中途岛周围侦察巡逻任务的第5潜艇队，比原定计划迟了两天才到达中途岛附近阵位，错过了发现美特混舰队越过西经167。西去行踪的机会。山本亲自率领的舰队在中途岛以北500海里处等待，预期美特混舰队在中途岛附近出现，即南下和南云舰队合击而歼灭之。6月4日凌晨4时30分，日军从航空母舰上出动108架轰炸机袭击中途岛，意图摧毁岛上的防御体系。岛上美军因原已有所准备，由陆基派出119架飞机起飞迎击。这场空战美空军损失过半，但日军的轰炸收效甚微。7时许，日第一批飞机飞回航空母舰加油，第二批轰炸机等待起飞。这时，日侦察机发现东北方向200海里处有美国舰队，报告给南云中将。南云为攻击美国舰队，立即命令航母上的飞机卸下炸弹，改挂鱼雷。在10时5分，即在日本这批飞机起飞前的5分钟，美空军37架无畏式俯冲轰炸机从“企业”号上起飞到达日航空母舰上空。这时，日航空母舰正处于毫无空中掩护的状态。霎时间，美俯冲轰炸机把一枚枚重磅炸弹投落在日航空母舰“加贺”号、“赤诚”号上，两舰立即火光熊熊，浓烟滚滚=“加贺”号舰长冈田次作大佐当即被炸身亡。16时40分，全体舰员被迫转上两艘驱逐舰，38 500吨的“加贺”号沉没。 “赤诚”号是南云的旗舰，当日“赤诚”破损严重，南云和舰长青木及舰员转上两艘驱逐舰，6月5日晨，由山本五十六批准以鱼雷70多枚将这- 36 500吨的“赤诚”号击沉。“苍龙”号于6月4日10时30分许中弹，10分钟后主机停车，10时50分舰长柳本柳作大佐下令弃舰。19时13分，舰长拒绝离舰，与15 900吨的“苍龙”号一起沉没。同日10时许， “飞龙”号派出18架俯冲轰炸机并由6架“零”式战斗机掩护，在搜索中发现并轰炸了美航母“约克城”号。“约克城”号中了3枚重磅炸弹和多枚鱼雷，延至6月7日沉没。当日，在从“企业”、 “大黄蜂”、 “约克城”号起飞的79架飞机的轰炸和鱼雷的攻击下，“飞龙”号在火海、爆炸中破损不堪。6月5日5时10分，舰长山口多闻与这艘17 300吨的航母一起沉没。6月5日晨，日本尚存的一些将校就下一步行动展开争论，有的主张调集当时所有力量攻占中途岛，山本五十六在沉默了许久之后，宣布“取消占领中途岛的行动”并发布了命令。

中途岛海战以美国的胜利告终。在这次海战中，日军损失航母4艘，重巡洋舰l艘，飞机400多架，兵员3500人。美军损失航母1艘，巡洋舰l艘，飞机147架，兵员307人。这次海战日本失败的主要原因：一是美军截获破译了日军的情报，基本达到了知彼知己，而日军带有很大的盲目性，以致计谋落空；二是日军潜艇侦察、巡逻活动未能按计划完成任务，贻误军机。日本雷达技术落后，航空母舰到敌机飞临上空，才发现危急，为时已晚；三是尼米兹指挥有方，对策得力。他越级提拔斯普鲁恩斯少将为美特混舰队司令，重点攻击日航空母舰，起了关键作用。中途岛海战是美日太平洋战争的转折点，此后，海战的优势、主动权已开始向美方倾斜。

日本在中途岛战败后，一边决定把重兵转向中国战场，妄图尽快结束中国的战争，以争主动；一边在太平洋中争夺战略要地，把目标放在莫尔兹比港和瓜达尔卡纳尔岛（瓜岛）上。日美间的瓜岛争夺战十分激烈，从1942年8月一直打到1943年2月，日军战败撤出。此后，美国开始组织攻势作战，1943年4月17日，美海军情报机构“2246室”破译日本“五码乱数密码”绝密电报一则成功，得知山本五十六4月18日将视察前线布干维尔岛。经海军部长诺克斯和罗斯福总统研究，决定截击山本座机，并将命令下达给尼米兹。命令末规定“此电报不得转抄和保存。战斗结束后立即销毁”。尼米兹为考虑美国此后敌手的才能，以对国家高度负责的精神向海军部提出，如山本被击毙，联合舰队司令一职会不会有更好的人选，海军部回答看不出有更好人选。9月18日9时45分，美机截击成功，山本机毁人亡。事后，美国派多架战斗机在布干维尔岛一带活动，以制造截击山本座机是偶然事件的假象。结果，日本海军军令部对山本座机失事一案得出了是偶然事件的结论。这样，才使美、英破译日本密码以打击日军的做法，一直使用到“二战”结束。