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由于这一疏忽，山本给自己的对手尼米兹将军提供了难得的机会。受命于危难之际的尼米兹，为了遏制日本的扩张势头，一举夺回在西太平洋地区失去的支配权，准备了用以对付日本的强有力的“秘密武器”，这就是约瑟夫·J·罗奇福特少校所领导的美国海军密码破译小组。
罗奇福特的密码破译小组设在珍珠港一个阴暗的地下室里，门上加封了双锁，里面有24名经过严格训练的情报人员。他们都是一些超出常人的、具有数学天才和擅于处理棘手细节能力的人，整日在不见阳光的绝对安全的密室里，埋头于一大堆字母和数字之中冥思苦想。
1942年四五月间，日本联合舰队异常频繁而神秘的电报，立即引起了罗奇福特的高度警觉，也引起了尼米兹的极大关注。罗奇福特通过侦获到的大量无线电密码通信，初步掌握了日本海军近期将在太平洋中部采取一次大规模军事行动的迹象，但对日军将发起作战的地点，他们并不清楚。这个问题折磨着在珍珠港遭受过沉重打击的美国海军。
不久，罗奇福特在截获的一系列日本人的来往电报中发现日军经常提到一个代号为“AF”的地名。经过初步分析，情报人员认定“AF”就是中途岛。但并不是所有的人都相信这一判断。面对日本海军的优势，开战以来连连受挫的美国人，对山本五十六下一步的进攻方向很有些吃不准了。华盛顿有人估计日军的进攻目标是阿拉斯加或美国西海岸；金上将认为可能是夏威夷；而美陆军方面则担心日军空袭旧金山。的确，查实“AF”的所指直接关系到美军的作战部署。如果“AF”指的不是中途岛，而是中途岛以外的地方，那将使作战部署落空，发生重大错误。罗奇福特恩来想去，最好的办法是让日本人来帮助核实。
5月10日，罗奇福特来到太平洋舰队司令部，与情报参谋莱顿进行了商谈
站在一旁的尼米兹咧嘴一笑。他很满意罗奇福特的这个小小的圈套。于是中途岛遵命用浅显的明码发出了这份诱饵电报。
设在倚玉县平林寺附近的大和田海军通信队，是日本海军的侦听中心。他们截听到美国的这份电报后，信以为真，认定“AF”上缺乏淡水，并把这一情况用密码电报通报给了准备参加中途岛作战的各舰队。为此，日本海军为进击中途岛的机动舰队特意增派了淡水供应船。
大和田海军通信队的这一反应，正中了罗奇福特破译小组的下怀。他们的悬念得到了证实
尼米兹将军在了解了山本五十六的企图之后，决心针锋相对，在中途岛与日军决一雌雄。
中途岛位于夏威夷群岛西北，距珍珠港约1100海里，是由2个环礁组成的珊瑚岛。尽管它的面积总共不过75公里，但其战略地位却十分重要，是美国在中太平洋上的重要基地，是夏威夷的门户和前哨。尼米兹首先采用了一切可以采取的措施加强中途岛的防御。在水际滩头及周围水域布设了水雷，岛上增加了海军陆战队的守备兵力。在空防方面，16架海军俯冲轰炸机，7架一野猫“式战斗机，30架海军水上巡逻机，18架B—17式陆军轰炸机和4架B—26式陆军轰炸机陆续在中途岛机场着陆，使该岛飞机猛增到120架。迅速武装起来的中途岛，犹如一艘巨大的永不沉没的航空母舰。
但是，中途岛的抵抗无论如何也得依赖海军的支援，只有海军才是最后解决战斗的可靠力量。尼米兹经过冒险而准确的计算，决定集中他所有能集中起来的军舰，在海上伏击山本的联合舰队。
不过，此时美太平洋舰队水面舰只的状况却十分不妙
5月26日，尼米兹急切等待的第16特遣舰队停靠珍珠港。当哈尔西海军中将前来向总司令报到时，尼米兹发现这个通常永远是精神饱满的将领被严重的皮炎弄得筋疲力尽，不由得大吃一惊，这是他没有料到的。身材高大、体魄健壮，但长相出奇丑陋的哈尔西中将，当时是美国最有名的航空母舰指挥官。他是半个水手，半个飞行员，是个全才的海军军人。由于他对马绍尔群岛敌占区的进攻非常成功和运载杜立特空袭东京，他成了太平洋战争初期美国人可以引为骄傲的第一位海军英雄。有鉴于此，尼米兹很希望领导艺术有了长进、指挥航空母舰有方的哈尔西，在或许是整个战争的最关键的一场海战中指挥美国的海军部队。
哈尔西虽然为他自己不能指挥这次作战感到难过，但他却以间接的方式为这次作战作出了贡献，这就是他无私地向尼米兹推荐了他的巡洋舰司令雷蒙德·斯普鲁恩斯海军少将。时年56岁的斯普鲁恩斯被人们称为“机器人”，他同烈性子“公牛”哈尔西不同，以战术判断准确和头脑冷静著称，是一个讲究方法的文静的策略家。尼米兹曾精辟地评论他说
5月27日，珍珠港汽笛长鸣，水手们欢呼雀跃，迎接在珊瑚海海战中负了重伤的“约克城”号的归来。尼米兹穿着长筒靴，和船坞的修船工一起检查了宽大的船壳了下令这艘本来需用3个月才能修好的航空母舰“必须在3天之内修好”。
第二天，尼米兹召集弗莱彻和斯普鲁恩斯一起就战术问题进行了紧张的磋商。他向两位司令官详细说明了他的作战方针
5月28日，斯普鲁恩斯少将指挥第16特混舰队（拥有“大黄蜂”号和“企业”号两艘航空母舰、5艘重巡洋舰、1艘轻巡洋舰、11艘驱逐舰）离开珍珠港，2天后，弗莱彻的第17特混舰队（包括“约克城”号航空母舰，2艘重巡洋舰和6艘驱逐舰）也从珍珠港出发，按尼米兹精心策划好的日程和航线，向预定待机地点进发。
然而对这一切还都蒙在鼓里的日本海军，仍按计划踏上了征服中途岛的航程。
5月27日是东乡平八郎将军指挥日本海军在对马海峡大胜俄国舰队37周年纪念日。人们身着盛装纷纷涌到街头庆祝日本海军引以为自豪的日子——海军节，日本报纸照例又吹响了它所有喇叭，向日本海军献媚
《日本时报与广告报》还特意对日本海海战中的山本五十六进行了吹捧
“就是在这次具有历史意义的战役中，海军士官生山本失去了2个手指。要是他失去3个手指，按规定他就不能留在海军里了。可以说，一个手指之差使这位士官生得以在37年后担负起了已故海军大将东乡相同的职责。因此人们可以称这是上天为促进日本国的事业而赐予的恩典……”
在一片鼓噪声中日本联合舰队的机动部队从濑户内海的柱岛基地起锚。山本之所以选择这一天，就是希望中途岛作战能成为第二个日本海海战。
由轻巡洋舰“长良”号所率领的第10战队的12艘驱逐舰，以一字纵队在前开道；紧跟在后面的是第8战队的“利根”号和“筑摩”号重巡洋舰；似乎要造成戏剧性的高潮，第3战队的战列舰“榛名”号和“雾岛”号相继驶过，激起阵阵波浪；最后的高潮是第l航空战队和第2航空战队的4艘大型航空母舰——“赤城”号、“加贺”号、“飞龙”号和“苍龙”号。
在日本漫长的历史上，给太阳旗增辉最多的海军部队莫过于第一航空部队了。在不到6个月的时间里，他们从珍珠港打到印度洋，南云的名字几乎同山本一样让英美人铭心刻骨。太平洋战争爆发以来，他的舰队已经击沉敌战列舰5艘、航空母舰1艘、巡洋舰2艘、驱逐舰7艘，重创敌舰多艘，使许多小吨位的舰船葬身海底，而他自己却只舰未失。当中午时分舰队驶过丰后水道之后，当初对中途岛作战有疑虑的人也对这一仗一下子充满了莫名其妙的信心。
担任进攻阿留申群岛的角田党治海军少将的第2机动部队已于5月26日自本州北部的大凑先行出发，5月28日，细萱海军中将的阿留申登陆部队也自大凑起航。当天晚上，远在南方马里亚纳群岛由田中海军少将指挥的运输中途岛登陆部队的船队，也在巡洋舰、驱逐舰护航下，从塞班岛出发。
第2舰队司令长官近藤信竹中将所率领的由16艘战舰组成的另一支大型舰队，比南云舰队晚两天，于5月29日离开广岛湾，驶往中途岛。山本五十六大将直接指挥的由37艘大型战舰组成的舰队，在近藤部队出发后也接着起航。这样，日本联合舰队的全部力量就都出海了，全部舰只总计达350艘之多，总吨位达150万，飞机1000多架，它们的锅炉房消耗的燃料比帝国海军平时一年烧掉的燃料还要多。
山本出海后的第二天，天气突然变坏，汹涌的波涛疯狂地扑打着疾驰的舰队，使大海中的战舰就像漂浮在浪涛中的叶片一样。看着翻卷起伏的波浪，山本的心潮也无法平静。不知道为什么，他对这次自己亲自策划的战役隐隐约约地有某种不安的感觉。出发前他在给情妇千代子的信中写道
山本五十六的预感很快将变成现实。山本那过于庞大的计划从一开始就遇到了麻烦。5月31日奉命前去珍珠港侦察美太平洋主力舰队动向的二式水上飞机，因为在预定加油地点发现美军，不得已取消了这次侦察任务；接着山本派出的潜艇警戒部队，也因潜艇的行动延迟了两天，而错过了时机。当潜艇于6月4日到达预定阵位时，美国的第16、17两支特混舰队早已由此通过多时了。山本费尽心机在中途岛与夏威夷中间设置的三道潜艇警戒线成了马后炮，形同虚设。
6月1日和2日，令山本不安的消息接踵而来
无线电侦察发现，从夏威夷发出的电讯有明显的增加，在所截收到的180份电报中有72份是急电，说明局势异常紧张。
“敌人似乎加强了对中途岛西南方面的巡逻，巡逻距离大概为600海里。”
“看来敌人在实行严格的警戒，大批敌机昼夜24小时在实施防御巡逻……”
最后，“大和”号上的无线电甚至截听到了显然表明美国航空母舰在夏威夷海域的信号，但山本似乎更愿意相信大本营的判断
此时海面上大雾弥漫，连强烈的探照灯光也难以穿透周围的一片昏暗。各编队在茫茫大雾中向前猛冲，加上舰队保持无线电静默，其情景如同盲人骑瞎马。直到6月3日24时，仍无明显迹象表明日舰队被美方发现，从山本以下直到每一个舰员都自信能够出其不意地对美军进行突袭。
4日，困扰南云舰队的浓雾终于消散。但随着浓雾的消散，由中途岛基地起飞的美侦察机很快即发现了正向中途岛疾进的运输船队。中午时分，9架满载炸弹的美B—17式轰炸机攻击了运输船队。当天下午，在中途岛降落的4架新的海军PBY“卡塔利娜”式水上飞机，又携带鱼雷对日本运输船队进行了第二次袭击。
两次袭击的消息使山本感到吃惊，意识到入侵中途岛的计划可能已经暴露，但这并没有引起他和他的参谋们的过分不安。他们认为这样也好，只有比原计划提前几小时把太平洋舰队的主力引出珍珠港才会更有利于达到消灭美军主力的目的。因此山本五十六并没有把运输船队受到攻击的消息通报给最前线的南云舰队。南云的参谋长草鹿后来说道
入夜，天空晴朗，视界开阔，天上只有片片浮云在飘荡，使人很难相信在这之前天气竟是那样的恶劣。
23时30分，南云的旗舰“赤城”号上的一个对空了望哨突然喊道
舰长青木立即下令拉响战斗警报，舰员们各就各位。只见天上星光穿过云隙忽明忽暗地闪烁着，不见敌机踪影。原来了望哨把星星当成了目标。过了一会，青木正要下令解除警报，那了望哨又大声报告：“还是那个方向发现灯光！不是星星！”对空战斗的命令立即发往各舰，结果又是一场虚惊。
23时45分，各舰下达了起床命令。日出时间为2时，即中途岛时间4日5时，目前海上仍然一片昏暗。航空母舰上的飞机已经开始发动，轰鸣声响成一片。马上就要给美国人以沉重打击了。此时此刻，南云非常乐观，信心十足。就在战斗发起之前，他对形势作了非常乐观的估计，认为敌人尚未察觉我方企图，也未发现我机动部队；没有迹象表明以航空母舰为核心的敌强大舰队在我附近，敌舰队大概会在我中途岛进攻作战开始后出来应战。因此，我们能空袭中途岛，歼灭岛上岸基飞机和支援我登陆作战。然后如果敌机动部队出动，我们可转过头来迎击并有可能将其歼灭。
6月5日凌晨1时30分，南云部队到达中途岛西北240海里的水域。还有半个小时太阳就要升起了，只见天空明亮、清晰，有几丝云彩随着吹起的东南信风悠悠飘荡。出击的时刻来到了。
在第1航空母舰舰队的待命室里，南云的飞行员们吃着干栗子，喝着冷酒，这是在为即将参战的勇士们举行传统的欢送会。飞行甲板上一排排准备起飞的飞机机翼上的红、绿色航行灯一起闪亮，航空母舰上的探照灯光把整个飞行甲板照得如同白昼。由于“赤城”号的飞行队长渊因身患疾病，第一攻击波的总指挥由“飞龙”号的飞行队长友永丈市大尉担任。第一攻击波由3个机队编成；水平轰炸机队、俯冲轰炸机队和担任护航的制空战斗机队，每个机队各36架飞机，合计108架。
航空母舰起航仪式开始时，地平线上刚刚露出微弱的光线。警报拉响了，“赤城”号迎风行驶。飞行长大声下达命令
在第一攻击波起飞后不久，南云根据计划又派出了7架侦察机对海面进行搜索侦察，以确保及时发现附近海区内可能出现的美特混舰队。7架飞机按计划分别由“赤城”号、“加贺”号各派一架，驱逐舰一利根“号和”筑摩“号各派2架，战列舰”榛名“号派出1架。前2架负责西南方向海面，后5架负责东北方向海面，7路侦察机成扇面以舰队为中心进行搜索。除了”榛名“舰上的水上侦察机搜索半径为150海里外，其他飞机搜索半径均为300海里。
由于当时日军侦察机没有装备雷达，全靠目力观察，按通常的惯�