斯威尼率领B-17轰炸机中队继续西飞。海面上，第十六特混舰队继续沿着周密计划的航线行驶。6月3日（星期三），“大黄蜂号”及“企业号”的航海日志反映出近乎滑稽的平静。这几天的日志开头总是“照常航行”。今天的情况又可用它来概括。如果说语言平淡的“大黄蜂号”航海日志真实地反映了当天的活动情况，那么最有意思的一件事发生在凌晨2时，一名倒霉的水手在“值班时右眼上方被杯子打中”。这个事件的起因及其过程至今仍是个使人感兴趣的谜。
08：59，“约克城号”的雷达在真北045、距离21海里处发现目标，“大黄蜂号”随即进入战备状态，并于09：05转向逆风行驶，准备起飞战斗巡逻机。3分钟后，它“接到不要起飞的命令”，09：30得知“目标消失”。这天，在它的航海日志上除了上述两件事情外，其余记的都是索然无味的流水账。
显然，“企业号”这天同样平安无事。它先是蛇形前进，然后中止蛇形前进，改变航向，接着进行例行的舰上检查。检查表明，“情况正常”。07：15，一名水手“从飞行甲板上摔下，掉在狭窄的通道上，医生诊断为面部挫伤与撕裂”。11：32，驱逐舰“拉塞尔号”靠上来递送当天的邮件。下午，值班人员在278°方位、10海里处发现“我方一架巡逻机”。16：00，解除了两名行为不端水兵的禁闭，恢复了他们的正常膳食。其他时间，“照常航行”。
然而，这一天对于这两支美特混舰队具有决定性意义。中途岛已将这天的侦察结果及时转报了尼米兹和弗莱彻，当太平洋舰队通信参谋莫里斯·E.柯茨海军中校将敌情报告匆匆送交尼米兹时，将军大喜。这一报告将使那些持死硬怀疑态度的人相信他对形势的估计是正确的。不过，早发现日进攻部队对美国确实是个很大的危险。如果尼米兹或弗莱彻也认为里德所报告的“主力部队”实际上就是敌主要突击部队，那么美军整个战役计划就会被打乱。但是，尼米兹决心既下，没有特大原因是决不会改变的。他相信莱顿和罗奇福特，他们最初的敌情报告表明，日军将由一支航母部队实施主要突击。这时他仍然相信他们。因此，他用舰队密码向弗莱彻发出急电：“那不是——重复一遍——那不是敌突击部队，而是登陆部队。突击部队将于明日拂晓从西北方向发起进攻。”
弗莱彻的观点与尼米兹的不谋而合。尼米兹的电报证实了他的看法。19：50，他命令“约克城号”转向西南，驶往中途岛以北200海里处。一旦巡逻机发现南云的航母舰队，就从那里派出飞机发起进攻。
在这段时间里，除角田和田中部队外，整个日本舰队都在忙碌着。潜艇部队虽比原计划迟了两天，这时也已在指定位置布好了甲、乙两条警戒线。这些潜艇白天潜入水中，夜间浮出水面，高度警惕地在警戒线与珍珠港之间的海域搜索，结果当然是一无所获，因为美两支特混舰队早就从这里开过去了。
不言而喻，南云的舰队在匆忙地进行着战前准备。06：00刚过，大藤正直海军大佐补给部队的5艘油船及“秋云号”驱逐舰取航向130，以12节的航速驶离舰队。08：25起，各指挥官与所辖舰船之间信号往来频繁。这时，第八巡洋舰战队司令阿部弘毅海军少将从“利根号”上发出次日反潜巡逻的命令：
“一、起飞时间：第一班，01：30；第二班，04：30；第三班，07：30。”
“二、‘雾岛号’和‘筑摩号’各派一机（必要时，派3座侦察机）为第二班机；‘雾岛号’派出的为一号机，‘筑摩号’机为二号机。”
上午半天没有情况。13：25，南云向全舰队发出信号，规定了攻击部队离开航母后，舰队的行动计划：
一、第一波飞机起飞后，舰队将沿135°航向行进，航速24节。3小时30分钟后，若刮东风，则航向转为45°，航速20节；若是西风，则航向转为370°，航速20节。
二、作战计划可随敌情变化而改变。在为集结制空部队并将其升上飞行甲板作准备时必须牢记这一点。
三、若无新的命令，搜索部队须与攻击部队同时起飞。
上述第二点表明，南云至少在口头上也认为敌人并不是任由日本人摆布的棋子。
过了不到一个小时，南云又发出命令：“保持26节航速，作短暂准备，5日01：00时起，以最大战斗速度前进，作20分钟准备。”
18：30，阿部报告南云并用信号向巡洋舰战队和战列舰战队各舰发出通知，就次日反潜空中巡逻计划变更如下：
“一、兵力调配：第八巡洋舰战队每舰一机作为第一班和第三班，第三战列舰战队每舰一机作为第二班和第四班，‘筑摩号’和‘雾岛号’各出动一机作为第五班。”
“二、起飞时间（依第一班至第五班的顺序）：01：30、04：30、07：30、10：30、13：30。”
这时，南云部队正以24节的航速朝东南方向疾进。4艘航空母舰在中央，“榛名号”和“雾岛号”，“利根号”和“筑摩号”，“长良号”，以及数艘驱逐舰大致成圆形在四周作掩护。突然，“利根号”开始对空射击，并发出信号，报告发现敌机。1分钟内，3架战斗机自“赤城号”起飞截击，但没有发现敌机。19：40，“利根号”发出信号，向南云报告：“敌机在260°方向消失，共约10架。”14分钟后，截击机返回“赤城号”，报告说未见敌机。
显然南云认为“利根号”上有人想象力过分活跃而判断失误，因而未向“大和号”报告此事，抑或是山本的幕僚没有把这当回事，因为我们在宇垣和三和的日记中均未发现对此事的记载。这两位日记记得十分认真的军官都谈到了前一天南云发报的事情。像往常一样，三和实事求是地写道：“……我担心这次发报是不是有可能导致我部队被敌人发现。但电报既已发出就无可挽回。我们继续前进。只愿上苍保佑我们平安无事。”
宇垣虽感不安，但十分公正地记下了当天的气候情况，为南云的鲁莽开脱——尽管他并未记下当初演习时他自己作过的指示。宇垣写道：
每秒5米速度的东风迎面带来了漫天大雾，根本看不出何时才会消散。昨天，机动部队打破无线电静默，用无线电发出关于新航向和航速的命令。现在看来，他们当时很可能也遇上了这样的大雾，为了继续执行规定的作战任务，出于无奈才作了那种选择。
接着，那种诸事不顺心的痛苦感涌上了心头。随即他又写道：“我觉得甚至连中太平洋都嫌太小！现在我只希望机动部队明天对中途岛的空中打击不再遇到麻烦。”
对田中来说，太平洋确实太小。那天下午，他一直非常焦虑。斯威尼的B-17轰炸机于16：40发现了他的部队并开始攻击。13日军一发现美大型飞机从南方飞来，“神通号”就立即开火。但美机陡然上升，飞出了高炮射程之外。“神通号”刚停火，它们又返回来。“神通号”再次射击，飞机又再次消失。在驱逐舰侧面座位上的原为一清楚地看到了这场战斗，被美机这种捉迷藏的打法搞得很紧张，因为攻略部队的这一部分没有空中掩护。
暮色刚开始降临，轰炸机又迎头飞来，天幕上清楚地显出“飞行堡垒”的优美轮廓。田中的所有驱逐舰立即开火。14B-17轰炸机分别从8千英尺、10千英尺和12千英尺高度投掷炸弹。霎时间，大炮的轰鸣声、炸弹的呼啸声和爆炸声、舰钟的叮当声、水柱窜起和落下的哗哗声，以及吼叫的人声，在这块通常冷清的海上演奏了一首可怕的海战交响曲。几分钟后，当喧嚣与吵闹声停止之后，双方却无一伤亡。日军防空火力虽猛，但炮弹都是在B-17轰炸机的身后爆炸的。15美国人投下的炸弹有不少根本没有爆炸。第三分队的领队塞西尔·L.福克纳上尉投下4颗炸弹，只有1颗爆炸。他的队友爱德华·A.斯蒂德曼中尉由于电动投弹装置短路，只投下1颗炸弹。
虽然在整个攻击过程中，敌人的防空火力效能很低，但斯威尼并不相信运气。他立即驾驶完好无损的轰炸机飞回中途岛，没有去磨磨叽叽地核查自己给敌人造成了什么损伤——如果真有的话。结果，美国人对战果有好几种出入很大的说法。第七航空队司令部声称“有5颗命中，1颗可能命中，4颗近距脱靶……2艘战列舰或航空母舰，还有2艘大型运输舰受损。可以看见1艘战列舰和1艘运输舰起火，另1艘运输舰在吃水线处中弹。”英格利希海军少将听到战果报告后，立即满怀希望地命令“乌贼号”潜艇去击沉那艘“受伤的战列舰”。拉姆齐的正式报告只说到“1颗炸弹命中l艘战列舰，另1颗命中1艘运输舰”。
可以相当肯定地说，这些飞行员并不是故意虚报战果。在那样的高度，透视失真，加上数以吨计的冲天水柱，只有观察高手才能分辨出命中与脱靶。事实上，所有的现场战报都必然存在大量失实之处。
这次攻击虽不成功，但却使山本的参谋们忧心忡忡。这种心情从攻打中途岛计划问世以来，还是第一次。整个战术思想的实现在很大程度上有赖于田中舰队在南云的航母部队对中途岛发起进攻之前不被发现。联合舰队的参谋们也许曾希望出现奇迹——那架美侦察机没有将发现的情况向中途岛报告。然而，B-17轰炸机的出现使他们的希望成了泡影。
“显然，这次侦察发现使敌人开始怀疑我方的意图，”宇垣在日记中说，“我认为应对此予以注意。下午，第二驱逐舰战队司令报告说，9架B-17攻击了我攻略部队，但未造成大损失。现在，战斗随时都会发生。”
对这样的形势，三和比较达观。他在记录这次被发现与被攻击的时候写道：“这是预料之中的。除非真的出现奇迹，否则，行动不被发现是不可能的。因此，作战继续按计划进行。”
里德的PBY在空中连续飞行约14个小时后，当晚在中途岛降落，这时油箱里几乎滴油不剩。VP-44的大多数人员都到场对他表示热烈欢迎和衷心祝贺。接着，侦察大队指挥官梅西·休斯海军中校、里德的中队长罗伯特·布里克斯纳海军少校以及中队作战参谋唐·冈兹海军上尉把他叫去汇报情况。
斯旺正在收拾自己的装具，准备离开那架PBY。突然，中队里一名参谋喊道：“喂，斯旺，快到飞行室去，你有鱼雷攻击任务。”斯旺是一位很尽职的领航员。但是，飞了这么长时间已经够了。他坚决表示不去，说自己刚刚着陆。那位参谋查了查飞行安排表，决定斯旺当夜不必再飞。
拉姆齐正在组织一次夜袭，他是不会让斯旺或那个机组里的其他成员参加的，因为他要求执行这一任务的人精力越充沛越好。原来，B-17的攻击无功而返之后，赛马德和拉姆齐想出一个主意：何不给几架PBY挂上鱼雷，然后派出去对日运输舰实施夜间袭击？乍看起来，这个主意滑稽可笑：卡塔林纳式飞机速度太慢，弱不经打，机上又没有鱼雷挂架；能上机的机组人员均未受过鱼雷投放训练，且其中大多数人已精疲力竭；再说，这种办法从来也没有人用过。
但是，赛马德和拉姆齐什么办法都想试一试。拉姆齐的手下不乏志愿者，他挑选了一些看来不很疲劳的人凑成四个机组。但他选出的人几乎都是那天下午才从珍珠港到岛上来的。这充分说明当时人员紧张的程度。只有一个例外，那就是他的VP-44的主任参谋兼飞行指挥官W.L.理查兹海军上尉。
20：00左右，理查兹和另外3名驾驶员听了情况简介，明确了攻击目标——先后顺序为：航空母舰、战列舰、运输舰。这些卡塔林纳式飞机翼下挂着用奇特的机械方法装上的鱼雷，于21：15隆隆地升入夜空。4架飞机上都装有在黑暗中完成这项任务所必需的雷达。
不久，他们就遇上了坏天气。用理查兹的话说，“一开始，天黑得像在煤窑里，后来就真的什么也看不见了”。其中一架PBY的驾驶员阿伦·罗森伯格海军少尉午夜时与同伴失去联系。他勇敢地继续向目标飞去，两次逃脱敌防空炮火的攻击，但由于未发现敌舰队，且油耗已经过半，只好放弃寻找，掉头返航。着陆前，他丢弃了携带的鱼雷。
另外几架PBY接近目标时，天突然放晴。他们看到10-12艘大型舰艇成两路纵队“像鹅一样大摇大摆地前进”。01：30，理查兹发出攻击信号。
驾驶三号机的G.D.普罗布斯特海军少尉已经与编队脱离，但他保持原航向和原速度，找到了敌输送船团。他向外飞了个大圈，沿水中月影方向接敌，选择了看来是最大的一艘即纵队中倒数第二艘作为目标，在50英尺高度投下了第一枚鱼雷。他说命中了一艘运输舰。后来他回忆道：“我拉起机头时，敌人的高炮已经开火。天空通亮，就像庆祝独立节时的科尼岛40一样。”普罗布斯特躲着敌人高射炮和机枪的射击，避开了一架日机——显然是“一架舰载战斗机”，钻进了云层。
理查兹朝着水波月影飞去，选中了一艘“轮廓最大、据报可能是航母”的舰艇。目标越来越近，他看清了，这是“一艘约7000吨的运输舰或货船”。他从100英尺高度投下鱼雷，之后他说“打了个正着！”当飞机拉起，飞到船尾上空时，飞机中部的两名乘员报告“听到巨大的爆炸声，看到浓烟升起”。理查兹朝集合点飞去，途中既未遭到高炮射击，也未遇到敌机拦截。
道格拉斯·C.戴维斯中尉却没这么幸运。为寻找最佳投雷位置，他两次从目标上空飞过。他在投放鱼雷时，所有舰艇一起向他开火。戴维斯飞机腹左侧的射手用机枪朝目标的甲板扫射，打出近60发子弹。戴维斯的“机头被打穿了好几个窟窿，投弹瞄准具被打坏，机身、机翼和机尾也被子弹穿了许多洞”。他想返回田中部队上空查看战果，但下面猛烈的防空火力把他赶走了。
虽然理查兹投放的鱼雷爆炸了——对那个阶段的美制鱼雷来说，这已经很了不起了，但只有普罗布斯特那枚鱼雷命中了目标——“曙丸”油船被击中，速度下降，死伤23人。但该油船伤势轻微，后来赶上了整个编队。然而，一名疲惫不堪、从未受过投雷训练的海军少尉，驾驶一架本不能挂带鱼雷的飞机，竟然能用鱼雷命中比太平洋还要小的目标41，这实在是技术高超，或吉星高照，或二者兼而有之的奇妙事例。
诚然，美军的这些攻击并未达到预期目的，但其意义很大，表明美国人已知日军舰队就在附近并正向中途岛开进。交战已经开始。机动部队是日军大规模进攻的先头部队，其司令长官理应得到一切可能得到的情报。然而，南云究竟得到了多少，至今仍不得而知。从南云当时对收发文电的详尽记录中，丝毫看不出山本的主力部队或田中的舰队向他提过这次B-17轰炸机的攻击或卡塔林纳式飞机的鱼雷攻击。据草鹿说，南云的幕僚知道PBY侦察一事，“但是我们坚信敌人并未发现我机动部队。我们甚至乐观地认为敌人会被我输送船团缠住”。抱着这种态度，再多的情报恐怕也不会对机动部队产生什么影响。