帕克斯的第一分队旋即升空，柯廷的第四分队紧接着起飞。在实战中并没有执行前一天晚上精心制定的作战方案。帕克斯率领的布鲁斯特式机有6架，而不是原计划的4架，而柯廷和他的僚机达雷尔·D·欧文少尉两人则自成一个分队。接着凯里率其余的野猫式机起飞。马里恩·E·卡尔上尉及其僚机克莱顿·M·坎菲尔德少尉也起飞了。他俩爬升时，卡尔觉得飞机速度不正常，就让坎菲尔德跟上去支援凯里。
这几架野猫式机还没有飞出中途岛的视界范围，麦卡锡和科里的两架飞散的飞机就从无线电中报告说油料将尽，恳求让他们进场。麦考尔告诉他们，敌人的袭击已迫在眉睫，要他们迅速降落加油，再火速起飞。
与此同时，阿米斯特德已率领本分队6架F2A机升空、盘旋待命。这时，从对日机进行有效跟踪的雷达上，情况已显得很清楚。正如凯姆斯回忆所说，“通过我们的雷达设备上可以发现，敌向我进攻的方式是最简单的一种。他们飞得很高，大约在1.1-1.2万英尺。所以，沙岛的大型雷达很容易捕捉到它们。敌机成一批直逼目标而来。”于是中途岛命令阿米斯特德和亨尼西转向320°，这样他们就能够助同伴一臂之力。
凯里的3架野猫式最先与来犯日机遭遇。凯里飞得较高，而且目光敏锐，他先发现了敌人。6时12分整，他抓起报话机喊道，“发现目标1鹰在天使十二！”这是在告诉中途岛场站以及其他美国飞行员，他在12万英尺高空发现了轰炸机。这批日机可能是“飞龙号”和“苍龙号”的高空轰炸机。当初从母舰上起飞时共18架，但其中一架因发动机中途出了故障，被迫返航了。据南云说，6时16分时这批飞机“在距离中途岛大约40海里处遭到敌F4F机长达15分钟的拦截”。
凯里发现，敌战斗机并不像人们所料想的那样在机群前为轰炸机开路，而是飞得比轰炸机稍后略偏高。这就使凯里得以迅速向轰炸机发起攻击，而不至于被零式机追上。他驾着野猫式机一个平稳的横滚，呼啸着俯冲下来以增加速度。他在瞄准具中牢牢地抓住一架领队机。飞机的挡风玻璃被子弹打裂，但他全然不顾，继续攻击，亲眼看着敌机在前面爆炸。
凯里迅速拉出V形，直冲向上，一个外侧滑急转弯，向飞机编队的后部飞去。他再次高速飞回时，飞机被一架敌轰炸机尾部机枪击中，钢铁碎片飞进了他的双腿。
坎菲尔德一路随着凯里。他全力对付敌第二队的第三号机，“直到它爆炸并起火坠落”。在发起攻击过程中，他发现几架日本战斗机从左侧成一路向他俯冲过来。为甩掉这些零式机，他飞向大约5海里外的一朵大云彩。绕着它飞了一圈后，他回头一看，只见一架日本轰炸机拖着一道长长的黑烟正在海面燃烧。敌战斗机已经看不见了，于是他追上了“正在歪歪倒倒地”向中途岛大致方向上飞的凯里。
凯里双腿负伤，疼痛钻心，无法正常踩方向舵。坎菲尔德担负起领队的责任，引导他的上级一路借助云层的掩护返航。凯里两腿血肉模糊，疼痛难忍，有两次几乎昏厥过去，但他以坚韧的毅力继续向前飞。坎菲尔德率先降落。他的起落架在降落时摔坏了。飞机刚停止滑行，他就跳了出来，刚好在日本人空袭前眺进了堑壕掩体。凯里紧跟着降落，但飞机着陆时他觉得无法驾驭它，因为他无力踩刹车，加之飞机的两只轮胎已被打穿。他的野猫式机滑出跑道，撞进一个飞机掩体。有两个人跳上去，把他从飞机里拖出来，拖到掩体后面。他们刚躲到这个作用不大的掩体背后，炸弹就落下来了。
与此同时，卡尔向敌机群开了火。他想回头看看战绩如何，却发现好几架零式机尾随上来。他大吃一惊，赶紧加大油门，笔直向下俯冲。日机追到3000英尺高度就不再追了，显然是担心如不能及时恢复水平飞行就有坠入大海的危险。卡尔再次爬升到2万英尺，但这时这里的战斗已经结束，所以他又飞回中途岛上空。他发现距基地大约2海里处有3架零式机正在低空盘旋。他就以45°全速朝这几架日机冲去。卡尔进入了一架零式机的盘旋轨道，从后面把它紧紧咬住。他向敌机一阵点射，敌机侧身直向下栽。卡尔最后看见它时，见它拖着浓烟，几乎是笔直地栽了下去。
另外两架零式机向卡尔扑上来，卡尔遁入云层躲避。其中一架日机停止了追击。另一架继续逼进，向野猫式机嘟嘟嘟一阵猛烈射击。卡尔见零式机高速追上来，决定使用柔道技术，用敌人自己的力量击败敌人。他故意突然把野猫式的速度放慢，进入滑行。零式机速度极快，一下窜到他的前面，上了个当。当它从卡尔身边飞过时，卡尔连连射击。他又想在零式机飞入他的瞄准具时把它揍下来，但他的几挺机枪都出了故障。小心即大勇，卡尔又遁入云层之中，从而什么目标也观察不到了。他在1万英尺高度上一直盘旋到战斗结束，收到无线电命令时才降落。
如果帕克斯知道日本人曾报告说“苍龙号”的18架水平轰炸机“在距中途岛的20海里处与三、四十架F4F-3机遭遇”，他肯定既会洋洋得意，又会感到滑稽可笑。那天VMF-221中队升空的野猫式机没有一次是超过6架的。而且，训练有素的日本飞行员居然把老掉牙的布鲁斯特式机当成了较先进的F4F-3，这也是对帕克斯的飞行员们所表现出的技术和胆略的一种赞美。
遗憾的是，这位勇敢的少校在这次战斗中阵亡了。那天，由他率领的第一分队中，只有没有参战的查尔斯·S·休斯少尉幸存。休斯的发动机在5000英尺时开始发生故障，飞到1.6万英尺时，发动机突突直响。他无可奈何地得出结论：硬要参战将只能是徒劳无益。无异于自杀。所以他决定返回掩体，希望能尽快排除故障.以重新投入战斗。他于6时25分，即水平轰炸机飞临前几分钟，返回中途岛。他刚从出了故障的飞机中爬出来，6架日机就开始投弹了。炸弹落点离休斯想躲进的那个掩休很近很近。
虽然帕克斯的第一分队的参战人员没有一个能活着回来汇报情况，柯廷的僚机驾驶员达雷尔·欧文却目睹了部分战斗场面。欧文在飞出大约20海里后，发现两支呈巨大V形编队的日本轰炸机分队，每个分队有7-9架飞机。几乎可以肯定，这些飞机是阿部平次郎海军大尉率领的“苍龙号”的水平轰炸机。帕克斯的5架布鲁斯特式机在柯廷和欧文的前方。欧文少尉看见他们从上方接敌，后来，很遗憾，就像他所说的，“就再没有看见柯廷上尉，也没有看见第一分队的任何一架飞机”。他在撤出时看见一架轰炸机在燃烧，这大概是被第一分队的人击落的。欧文身后一架零式机像一条甩不掉的尾巴似地紧迫上来。他爬到大约1.65万英尺后想俯冲逃脱，但被日机死死咬住，左副翼的大部分被日机打掉了。
欧文已无法操纵飞机作战了，所以就急速向中途岛飞去。一路上，那架穷追不舍的日机，再加上一架前来助战的，频频向欧文发起攻击。它们每次从他身边飞过，就急速从翼侧转弯，准备再度攻击。后来欧文曾客观地赞扬说：“他们的射击技术很高明。我肯定他们每次都打中了我的飞机。”他被这两架日机咬得很紧，无法回身反击。他只想把它们甩掉，或者把它们诱入对空火力网。
他多次听见子弹铛铛地打在他的椅背装甲防护板上。护板只与肩同高，这他很清楚。于是他尽量向下缩着坐。两架日机在后边紧迫，他把脑袋缩进座舱里，冒着敌机的俯冲轰炸，于6时50分在中途岛降落。
亨尼西率领第二分队6架战斗机冲向敌编队。菲利普·R·怀特上尉发现共有3个V形编队，各由8架飞机组成。怀特第一次攻击后，发现身后有架零式机，就猛地一个俯冲把它甩掉了。他再次爬升到1，000英尺时听见无线电报告说有一架敌机沿310°方向飞离该空域。他找到这架敌机后，就从远距离高速冲上去。他那机身短小的布鲁斯特式射出一发发子弹，日轰炸机晃晃悠悠地“向左一拐，栽进了大海”。
怀特再次爬高，投入战斗。他发现另一架轰炸机在云层中时隐时现，显然它是想返回航空母舰。怀特把老掉牙的布鲁斯特的马力开足，遭到近处向这架逃跑的轰炸机开火。他认为自己肯定是打坏了敌机的发动机，因为敌轰炸机的速度顿时大减。日机的速度一减，就只好坐以待毙了。可这时怀特发现自己的弹药已耗尽，无法收拾这个囊中之物.这架日机可能是友永驾驶的，因为南云于6时58分收到友永报告说；‘我被击中，已命令各中队独立作战。”怀特匆匆返回中途岛，补充弹药后再度起飞。但他还没有来得及再次打击来犯敌机，就收到了关于全部返航的命令。
第二分队中，生还的只有怀特和赫伯特·T·梅里尔上尉。梅里尔在受伤的飞机中呆的时间太长，他的脸部、脖子和双手都被严重烧伤，最后跳伞跳到礁湖中才保全了性命。怀特目睹了许多战友的牺牲，因而对布鲁斯特式飞机的评价就特别苛刻。他说：“F2A-3机根本不是战斗机，日本零式战斗机可以绕着它转圈子飞……
“我认为，指挥官在命令飞行员驾F2A-3出机时，就应当认为这名飞行员还没起飞就已经阵亡了……”
阿米斯特德的第三分队运气稍佳。听见凯里“发现目标”的呼叫后，阿米斯特德立即爬升。他发现敌人在1.4万英尺高度嗡嗡地向前飞，距他右侧约2海里，离中途岛5-7海里。他就转向70°飞行，并继续爬升，希望能赶到敌人前上方，再顺着阳光的方向冲向敌人。他未能及时达到预期的目的地，只好从1.7万英尺高度俯冲，向5个各由5-9架轰炸机组成的形编队发动进攻。俯冲时，他看见自己的S架战斗机正紧紧地跟进，另外还看见有1架野猫式机也眼了上来。这是斯旺斯伯格的野猫式。他的飞机的故障已经排除，可他已经来不及和凯里取得联系了。
阿米斯特德选择的攻击目标是由5架日机组成的第四分队。他从高空陡直向下飞速冲向日机。他看见自己的燃烧弹从日编队的长机前面开始，沿着V形编队的左翼一路打过去。他回头一看，只见有两、三架敌机起火坠落。
他急跃升到1.4万英尺时，3架战斗机成一路跟了上来。它们爬升的角度很陡，速度快得令人生疑。当离他最近的那架飞机处于他身后下方仅500英尺时，他发现这些果然是零式机。他猛地急转弯，一个半滚倒转，可他的布鲁斯特式机已中了许多日机发射的子弹，左副翼上中了大约20发77毫米口径的子弹。
阿米斯特德继续全速俯冲。他的飞机由于副翼被打坏而进入了左转螺旋状态。他拼命设法使飞机摆脱螺旋，在大约500英尺高度恢复了水平飞行。接着他就掉转方向飞回中途岛上空。他用无线电报告说飞机受伤、请求降落。机场回答说：“明白，等一等。”他就在离岛约15海里的上空盘旋。他看见该岛正遭到猛烈袭击，因此就选择了逆阳光的方向，一直盘旋到空袭结束、基地电告所有战斗机返航加油补充弹药为止。
第三分队第二小分队队长威廉·亨伯德上尉一直跟在阿米斯特德后面。在距离中途岛大约30-35海里处，他击落一架轰炸机。接着他一个大转弯飞到日机编队的另一侧，希望能再击落一架敌机。这时他听见轰隆隆一阵巨响，他在座椅上扭头一看，发现身后200码处有2架零式机紧逼了过来。他立即俯冲，一架零式机几乎追到水面高度。亨伯德保持全速，直到飞出相当远的距离之后才杀了个回马枪，向日机狠狠地一阵点射。那架日机中弹起火，失去控制，随即坠入大海。
这时亨伯德离开最初与日本人遭遇的地点大约有40海里。他重新爬升到1万英尺的高度时，发现油料和弹药量都降到了危险点，于是电告中途岛请求降落。这时机场上已平安无事，他收到了关于同意他降落的答复。进场时，他发现液压剂已点滴无存，减速板和起落架都无法放下，所以只好靠应急系统摔降。在迅速修复飞机，油料和弹药得到补充之后，他又起飞了。但这时中途岛方面下令所有战斗机返航。
阿米斯特德的另一名飞行员查尔斯.M·孔兹少尉看见门机第四攻击V形编队中有2架飞机起火坠落。他心想，这很可能是被阿米斯特德和亨伯德击落的。他把注意力集中在这批飞机中的最后一个编队，即第五个V形编队上。他向其中一架轰炸机猛攻过去，看见它起火，脱出了机群编队。
孔兹又扑向一架轰炸机右侧，从编队机群上方约2000英尺高处发起了第二次攻击。他从侧面接敌，不断进行短点射，再次满意地看见目标起火：他看见V形编队外侧的一个驾驶员把飞机拉出编队，给这架受伤的飞机让路。孔兹刚向这架飞机开火，一架零式机就向他扑来。他看见曳光弹从驾驶舱外飞过，机翼被子弹打坏。为摆脱它的追击，他一直俯冲到离开水面仅20英尺处，随即急转弯。这时斜刺里飞来一颗子弹，打伤了他的头部。
这下不行了。他知道自己的飞机已被打坏，不能再用它作战了，所以就在机场上空盘旋，于7时50分降落。他因头部负伤，感到天旋地转，急忙跑到诊疗所，他对自己的飞机评价也不高：“至于F2A-3……它应当在迈阿密市作为教练机，而不是在前线作为战斗机使用。”
亨伯德的僚机驾驶员威廉·V·布鲁克斯少尉那天早晨过得特别惊险。在他们小组把2架日机打得起火后，布鲁克斯和阿米斯特德的僚机威廉·B·桑多瓦尔少尉两人又冲到轰炸机编队的右侧。他们两人中有一人又击中了1架日机。2架零式机立刻向布鲁克斯猛扑上来，布鲁克斯匆忙飞向第六营的高炮群上空寻求掩护。2架敌机果然被高射炮火赶跑了。布鲁克斯想降落，因为他的布鲁斯特式中弹太多，补翼、仪表和座舱被打得弹洞累累。
这时，他看见东边有2架飞机在格斗，就赶忙飞过去想助患难中的伙伴一臂之力。可他飞近时，却发现2架飞机一齐向他扑来，他大惊失色。刚才是因为太阳光，他看花了眼，原来那是2架日机假装格斗以诱使美机上当。在这种情况下，布鲁克斯开足马力，问心无愧地向中途岛飞去，“一路上飞机还挨了许多子弹”。敌机从正面向他冲过来，他避开了其中一架，向另一架开火。这架零式机赶忙向北方逃去。布鲁克斯不仅希望而且也相信它是飞不回母舰了。