1942年6月4日，日本海军第1航空舰队司令南云忠一率部对中途岛美军发起攻击，遭遇美军有准备的反击。日军4艘航母与美军3艘航母对决，结果日军惨败，南云忠一部队损失全部航母与舰载机，死亡官兵2180余人。美军损失约克城号航母、150余架飞机，360余人阵亡。
中途岛海战规模宏大，战史与军迷的评论却常常聚焦于一个关键词——“换弹”。
1942年4月18日，美国陆军航空军杜利特中校率16架飞机轰炸东京等地，日本海军大感脸面无光，联合舰队司令山本五十六决心攻占日本岛东南3000多公里的中途岛与东北2000多公里的阿留申群岛，将海军防线再向外推进，进逼夏威夷。作战计划大要出自联合舰队首席参谋黑岛龟人之手，包括中途岛和阿留申群岛两个方向，目标是攻占要地与寻歼美军主力舰队。山本五十六指挥整个作战，包括如下5支部队：
1.山本五十六兼任指挥的“主力部队”，负责中途岛作战方向的后援、警戒，第1舰队司令高须四郎指挥第2、9战队负责阿留申群岛作战方向的后援、警戒；
2.第1航空舰队司令南云忠一指挥的“第1机动部队”负责轰炸中途岛、寻歼美军舰队；
3.第2舰队司令近藤信竹指挥的“攻略部队”负责登陆、占领中途岛；
4.第5舰队司令细萱戊子郎指挥的“北方部队”负责攻击、占领阿留申群岛阿图岛、基斯卡岛；
5.第6舰队司令小松辉久指挥的“先遣部队”以潜水艇前出侦察、哨戒、袭扰；
第11航空舰队司令冢原二四三指挥“岸基航空部队”以威克岛（中途岛西南2000公里）、马绍尔群岛为基地，预定进驻中途岛。
本次作战号称日本海军成立70年来最大规模出动，除负责袭击盟国商船的潜艇和负责占领区警备的舰艇外，作战舰艇几乎悉数出动，总数达200多艘，其中战列舰11艘、航空母舰8艘、重巡洋舰13艘、轻巡洋舰10艘、驱逐舰65艘、潜艇21艘、约700架飞机。参战舰艇消耗的燃油和航行里程，超过非战时期日本海军全年的耗油量和航行里程。
在如此庞大兵力中，归南云忠一指挥的是赤城、加贺、飞龙、苍龙号航母，榛名、雾岛号战列舰，利根、筑摩号重巡洋舰，长良号轻巡洋舰，11艘驱逐舰，舰载机264架。
中途岛作战计划被美军情报部门侦知。美军派出弗莱彻、斯普鲁恩斯分别指挥的第17、16特混舰队迎击，共有约克城号、企业号、大黄蜂号3艘航母（248架舰载机），7艘重巡洋舰，1艘轻巡洋舰，15艘驱逐舰，19艘潜水艇。同时加强中途岛防御兵力，分属陆军、海军、海军陆战队的岸基飞机共112架。
宏大作战场面影响深远并为后世所热议的，是日军4艘航母对决美军3艘航母。
6月4日4时30分，南云忠一编队到达中途岛西北400公里预定位置，4艘航母派出“第一攻击波”99式舰上爆击机、97式舰上攻击机、“零战”（零式战斗机）各36架，由飞龙号飞行队长友永丈市率领攻击中途岛。又派出侦察机向东、向南搜索美军航母踪迹，但有2架侦察机因为弹射器故障延误半小时起飞，1架向东搜索的侦察机因引擎故障中途返航。
日军对中途岛的空中攻击未达成突然袭击效果：中途岛美军飞机全部升空，或迎战日本战机、或躲避轰炸，机场空空如也。7时，友永丈市向南云忠一报告战况，认为需要再次攻击。“第二攻击波”飞机虽已在飞行甲板待命，却是准备用来攻击可能发现的美军舰队。
7时10分始，中途岛美国海军陆战队F2A战斗机、TBF鱼雷机、SB2U俯冲轰炸机，陆军B-26、B-17轰炸机5批60多架反击南云编队，效果甚微（陆基飞机海上战术水平低），反被日军战斗机与舰炮击落10多架。
因尚未发现美军舰队，南云忠一决定再次打击中途岛，为此需要将原用于对付美舰的飞机换装弹药，7时15分下令赤城、加贺号将装好鱼雷的飞机换装对地攻击的高爆炸弹。
7时30分利根号重巡洋舰侦察机发来电报，称中途岛北440公里的海面发现10艘美国军舰。南云忠一令其尽快查明舰种，同时暂停鱼雷机的换弹。此时，中途岛美军第2批40余架B-17、SB2U再次扑来。美军机队没有战斗机护航，轻易被日军的“零战”击退。
8时15分，利根号侦察机报告确认美军舰队有航母，南云忠一下令各舰已改装高爆炸弹的飞机重新改装鱼雷，准备攻击美军舰队，飞行甲板上因堆放卸下的炸弹而混乱不堪。
8时30分，日军参与“第一攻击波”的返航飞抵舰队上空，在此空域担任护航的战斗机恰好也需要降落加油，而攻击美航母的机群尚未完成起飞准备，南云忠一处于进退维谷的境地。部属山口多闻（第2航空战队司令）认为应立即起飞对舰攻击机群，但攻击机群换装鱼雷还未完成，即使发动进攻也无战斗机护航。若先安排起飞作业还将使待空的“第一攻击波机”群迫降。南云忠一决定先收回油料已尽的飞机，再重新组织力量以进攻美军舰队。
8时37分，日军航母飞行甲板开始进行回收飞机作业。回收作业完毕后，舰队以30节的航速向北航行以避开中途岛美机的攻击，同时完成起飞作业准备。9时20分始，护航战斗机群先行起飞。
当日军舰载机攻击中途岛时，中途岛美军PBY水上侦察机很快确定了日军航母的位置。7时2分始，3艘美军航母上的舰载机升空奔赴400公里外的南云编队。就在日军完成第2次换弹、准备起飞对舰攻击机队时，美军84架SBD俯冲轰炸机、41架TBD鱼雷机、26架F4F战斗机登场了。美军航母先行起飞鱼雷机，因其速度较低。但吊诡之处是，由于飞行途中的阴差阳错，首先进入攻击现场的却是鱼雷机。美军鱼雷机队继中途岛陆基机群之后被日军宰杀殆尽，又正因为他们的英勇牺牲才导致日军后来的灭顶之灾。
9时25分，大黄蜂号15架TBD鱼雷机率先发动攻击，但它们燃油将尽且无战斗机护航，全部被日军“零战”和舰炮击落。紧接着企业号、约克城号28架TBD攻击苍龙号和飞龙号，所投鱼雷无一命中，多数飞机反被击落。
在日军战斗机与美军鱼雷机交战中，日军对舰攻击机群102架完成起飞准备，日舰迎风全速航行，甲板上排列着待起飞飞机，又堆放着鱼雷、炸弹，处于最易受攻击的状态。
10时24分，就在第1架日本攻击机飞离飞行甲板时，企业号麦克拉斯基少校的33架SBD俯冲轰炸机进场，分两队各自攻击赤城、加贺号航母。加贺号首先被4枚炸弹命中。随后约克城号航母的17架SBD加入攻击，3枚重磅炸弹命中苍龙号航母。炸弹引发加贺号、苍龙号大爆炸，19时后两舰相继沉没。赤城号亦遭重创而丧失战斗力，次日凌晨被日军驱逐舰用鱼雷自沉。
赤城号受损后，南云忠一令山口多闻在飞龙号航母指挥空战，令第8战队司令阿部弘毅指挥其他舰艇，本人与舰队司令部转移到长良号轻巡洋舰。山口多闻11时发动反击，18架99式舰爆机、6架“零战”组成的攻击编队尾随美军返航飞机，12时5分到达弗莱彻编队所在空域后立即发动攻击，3枚炸弹命中约克城号。
14时30分，飞龙号又一批10架97式舰攻、6架“零战”再次攻击受伤的约克城号。身中两枚鱼雷的约克城号丧失战斗力，弗莱彻与司令部转移到阿斯托里亚号重巡洋舰上，第17特混编队指挥权移交给斯普鲁恩斯。约克城号于次日下午再被日军伊168号潜艇4条鱼雷命中沉没。
17时，美军企业号航母的俯冲轰炸机队攻击飞龙号，飞龙号中4弹后引发大火与爆炸，丧失机动能力，次日凌晨被日军驱逐舰以鱼雷自沉，山口多闻与舰长加来止男随舰丧生。
中途岛海战时，日军联合舰队主队在南云忠一部队后方550公里处。最初接到南云部队副指挥官阿部弘毅报告3艘航母中弹起火时，山本五十六立即率主队与第1舰队奔赴战场，待到获知飞龙号亦受致命攻击后，山本五十六最终否决了首席参谋黑岛龟人提出的用舰炮轰击并登陆中途岛的方案，下令取消攻占中途岛行动。
6月5日夜间近藤信竹第2舰队的重巡洋舰“最上号”和三隈号因浓雾相撞，最上号重创，三隈号留下护卫。6日天明后，美军大黄蜂号、企业号飞机多次轰炸两舰，结果三隈号沉没，重伤的最上号逃向特鲁克基地。
日军在中途岛惨败，阿留申群岛作战却很顺利。6月7日登陆基斯卡岛，次日登陆阿图岛，均未遇大的抵抗，只有美军潜艇和水上飞机曾来袭击。日军龙骧、隼鹰号航母舰载机还攻击了基斯卡岛以东1100公里的阿留申群岛荷兰港的美军机场和潜艇码头。
▲ 南云忠一（南方周末资料图/图）
中途岛作战时日军舰载机的反复“换弹”常常被认为是日军惨败的关键因素，历史活动中的细节及其影响的确是一个饶有趣味的问题，细节更重要的意义是对于宏观因素的反衬。例如我们可以问，如果先期到达日军舰队上空的美军舰载机不是TBD鱼雷机而是SBD俯冲轰炸机，而这些俯冲轰炸机又被日军已升空的战斗机宰杀，会不会有不一样的结果呢？TBD时速382公里，SBD时速400公里，鱼雷机滞后于俯冲轰炸机是一个合理的假设。如果美军俯冲轰炸机先于鱼雷机进场且没有得手，待到鱼雷机来到时就算日军零战被消耗掉或油料已尽，航母规避鱼雷攻击还是很有效的，舰队防空炮火也容易对付鱼雷机。
中途岛海战最简单的描述是：南云忠一指挥4艘航母首先轰炸中途岛以便登陆占领，同时搜索寻歼美军航母舰队。美军航母编队已位于中途岛东北方，当然就能先期发现南云编队。当美军机群到达南云编队上空时，南云编队的舰载机处于攻击中途岛、攻击美军舰艇编队以及舰队自身防空三项任务的交替作业中，结果就是挨了一顿狠揍。
著名推理小说《尼罗河上的惨案》有典型的细节因素：多尔太太在睡眠中被害，基于利益关系最易遭怀疑的两人（其丈夫多尔及前女友杰基）却因当晚餐厅发生的冲突被认为无作案可能。大侦探波洛最终发现，解开谜案的关键是，餐厅冲突究竟是偶然发生的还是有预谋的？认定“最易遭怀疑的两人因餐厅冲突无作案可能”的前提是餐厅冲突为偶然事件，但如果餐厅冲突是有预谋的那么往下的破案路径就大不相同了。他自己当晚是难得的沉睡，可能有人在他的饮料下药，因此推断餐厅冲突是有预谋的，往下的一系列推理便导致谜案破解。
美军事先破译日军密码、获知日军作战意图，已将航母编队布置在中途岛东北方向待机；中途岛美军的120多架陆基飞机并没有被突袭的日军消灭而是反过来攻击了日军舰队；中途岛美军侦察机有目的地搜索很快发现日军舰队位置，因而美军舰载机能先期直奔日军舰队。相反，日军侦察机太迟才发现疑似美军航母（美军舰载机实际已起飞），日军15艘潜艇组成的哨戒线未能发现美军踪迹，因为美军舰队在日军布防之前即已通过。
总之，美军事先侦知日军偷袭中途岛，美军有预谋迎战南云忠一才是中途岛作战的关键情节。日军对中途岛的“第一攻击波”未消灭中途岛美机，说明美军已有预防——不仅是中途岛美军，也包括美军主力舰队。美军舰载机总会先期到达，即使日军侦察机不发生故障而及时发现美军航母也不会改变这一点。美军舰载机的先期到达对日军的打击都是致命的，无论日军发生不发生“换弹”事件。当然，日军航母甲板上如果没有堆满弹药也许不会发生大爆炸而很快沉没，但一定会丧失起降飞机能力而退出战斗。
美军早有防备这个事实彻底颠覆了日军作战计划的预设前提，日军却没有及时调整作战目标与方式，山本五十六本人鞭长莫及，而南云忠一没有获得更改作战计划的授权。
日军的作战企图是攻占中途岛，吸引美军航母参战以便歼灭之。如果在攻击中途岛尚未得手时，第二个目标美军航母出现了（日军主力航母不是在外围待机，而是直接以舰载机攻击中途岛，很容易被美军侦知其位置，从而使两个任务发生重叠），该如何处置呢？这应当在作战计划中明确规定。发现美军航母编队时南云忠一为何没有暂停中途岛轰炸，转而专事攻击美军航母？或者至少分兵只留一艘航母继续轰炸中途岛？这就是山本五十六是否授权的问题了。按照日本海军参谋们制定的完美计划，南云忠一只需要在美国舰队到来之前攻击中途岛，等美国舰队出现时中途岛肯定已打下来了，再腾出手来迎战美国舰队，甚至还能得到陆基航空兵的支援（日军准备进驻中途岛基地的飞机已在日占威克岛上待命）。但合理的方案恰好相反，两个目标中美军航母最重要，一旦察觉美军航母行踪应立即放弃攻击中途岛，歼灭或逼退美军航母后再来解决中途岛，此时大和号战列舰460毫米大炮也能发挥威力。
对手预有防备，攻占中途岛与打击美军航母编队两个目标没有优先选择，是导致日军惨败的关键因素。
日军攻击中途岛的飞机出发时，尚未发现美军航母存在，航母上的下一批飞机却是为美军舰艇准备的，这是作战计划认为中途岛美军不堪一击而作出的奇怪规定。南云忠一决定再次攻击中途岛，导致第一次“换弹”。南云忠一的责任在于，他至少可以暂停攻击中途岛、搞清情况再说——中途岛美军已有准备，则所有美军都可能有准备！
在已经获知美军航母情报前提下，要不要第二次“换弹”？这确实是一个两难的选择。如果不“换弹”，日军的攻击机队可以立即发起攻击，但可能效果较差、自身严重损失，中途岛返航的飞机也会因油料耗尽、无法降落而迫降（当时航母起飞作业与回收作业不能同时进行）。而且8时15分利根号侦察机报告发现美军舰队有航母，但准确的方位、数量尚待继续侦察。这是参谋长草鹿龙之介、参谋源田实反对立刻攻击的理由，基本上也说得通，所以这是个一念之差的问题。
还有一些“偶然”因素差点使得中途岛海战日美航母数量比不是4对3。日军6艘袭击珍珠港的主力航母，除参战中途岛的4艘外，还有瑞鹤号与翔鹤号。5月初刚发生南太平洋珊瑚海海战，翔鹤号负伤奉命回国修理，瑞鹤号在中途岛西南3000公里的特鲁克群岛等待补充飞行员、飞机，两舰因而缺席中途岛作战。珊瑚海海战美军失去列克星敦号航母，太平洋战区司令尼米兹不敢丝毫懈怠，令受伤的约克城号航母跛行7000公里回到珍珠港日夜抢修，赶赴中途岛一路上修理工人还在敲敲打打，结果美军以3对4的劣势大败日军，约克城号航母最终静卧于珍珠港西北2200公里洋底。
海战与陆战的一大差别是，因燃料与弹药消耗、舰员疲惫、伤亡导致缺岗、设备不可避免的故障、不可能临时增减兵力等因素，一场海战的持续时间必定很短，不在现场的指挥官基本无所作为。日军联合舰队如果不能打破无线电静默，理应赋予南云忠一临机处置权。
二战太平洋战场发生数十场驱逐舰规模以上的海战，最著名的当属珍珠港袭击战与中途岛航母战，联合舰队司令山本五十六是总指挥，战场指挥都是南云忠一。
史上仅有的六次航母对决战，南云忠一指挥了三场。南云忠一指挥的七场作战中，珍珠港、外南洋、印度洋完胜，中途岛、塞班岛完败，东所罗门群岛海战、圣克鲁斯海战各有胜负。
一些资料称南云忠一的最后职务是“塞班岛守备队长”，这毋宁说是一个嘲笑。实际上南云忠一最后任职是中太平洋日本陆海军最高长官，有一个月时间里还受权指挥大半个联合舰队。南云忠一除1931年10月-1933年11月任军令部第2课长外，没有在海军中央任职，也没有在军令部赋闲待命，在日本陆海军将官中算得上是一个极端的例子。