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4月18日早晨，威廉·哈尔西率领由“企业号”和“大黄蜂号”航空母舰、4艘巡洋舰、8艘驱逐舰等编成的特混舰队全速向日本本土驶去。“大黄蜂号”搭载16架改装的双引擎陆基B-25重型轰炸机执行轰炸任务。飞行员共80人，由杜立德率领，去完成这项震惊世界的空袭任务。这是一次绝密的军事行动，除了少数人外，连舰上的工作人员都不知道详细的任务。
6时30分，日本太平洋沿岸担任警戒任务的渔船在距离东京600公里的犬吠崎发现向西南方向飞去的美国侦察机，渔船随即向国内报告：“敌人3架飞机向西南飞去。”日本海军军令部和联合舰队总司令部接到报告后，又收到其他舰艇发来的电报。日本防卫指挥部判断：“肯定是美军的航母编队！”
哈尔西得知被日军舰艇发现后，非常紧张。杜立德飞行队原预定在夜间袭击日本，此时不得不改变计划，当机立断，改在白天空袭日本本土。然而，此时出发，B-25轰炸机将没有足够的燃油飞到中国，他们很可能会坠入中国的黄海。80名将士毅然决定继续参加攻击，他们留下遗书，整齐地排列在甲板上等待起飞。
7时25分，杜立德驾驶的第1号飞机，首先从距离东京约1000公里的地方起飞。随后，16架飞机陆续起飞，超低空飞行，驶往日本。12架飞临东京，1架飞往横须贺、横滨，2架飞往名古屋，1架飞往神户。这些飞机起飞后，哈尔西指挥特混舰队立刻调转方向，全速返航。
日本犯了和珍珠港遭袭前美军同样的错误，接到报警电报后，海军部反应迟钝，一直没有发出警报，而担任本土防御任务的防卫总司令部和东部军防卫司令部也没有发出警戒警报。第十七飞行团曾派出战斗机在4000至5000米的高空警戒，但是由于美军是超低空飞行，所以没有被日机发现。和美军此前的错误一样，日本东部军司令部也收到过防空监视哨所的报告，说发现美军大型飞机，但是他们没有理会。
此时，美军的战机飞临日本城市上空。自开战以来，日本国民每天都叫嚷着“胜利了”“胜利了”，可是让他们没有想到的是现在美军却把重磅炸弹投到头顶上，此时的日本民众才切实感受到了战争的恐怖。
12时15分，东京上空突然出现了美国大型轰炸机。第一颗225千克重的炸弹投了下来，轰炸是在中午人们下班的时候进行的。225千克重的炸弹一颗接一颗地呼啸而下，按预订计划击中了主要目标。东京的钢铁厂内顿时浓烟滚滚，东京南面的海军造船厂也遭到重创，一艘潜水艇和一艘巡洋舰被炸毁。当美军飞机掠过东京上空时，目瞪口呆的日本民众站在那里眺望，竟然忘了躲闪。
美军轰炸机投弹后迅速返航。由于临时改变计划，许多B-25轰炸机携带的燃油不够抵达中国境内，一些飞机坠入大海，还有一些紧急降落在中国的日本占领区内，被日军俘获。然而，还是有不少飞机在下午3时左右平安抵达中国空军基地。
空袭
美军在发动这次空袭前，有意将日本皇宫划出轰炸目标之外。杜立德飞行队出发前，总统罗斯福再三叮嘱不能轰炸天皇的宫殿。美机虽然飞临日本皇宫上空，但没有投弹。不过，裕仁天皇夫妇及其子女依然仓皇逃入防空洞，亲身体验了一下战争的恐怖滋味。
日本遭受轰炸的建筑有：日本柴油机制造公司、日本钢铁公司第一钢铁厂、三菱重工公司、交通部变电所、国家纤维服装公司、横滨制造公司仓库、名古屋飞机制造厂、1座军工厂、1所海军实验室、1个机场、1个临时军火供应站、9幢电力大楼、6只大油罐、1家服装厂、1间食品储藏仓库、1家煤气公司、2家其他公司、名古屋第二临时军用医院、6所小学和初中。
美军此次轰炸的实际战果并不大。据统计，东京共死亡39人，伤307人，其他城市也略有损伤。不过，轰炸给日本人的心理打击却是巨大的，大和民族的自尊心受到了前所未有的挫伤。以防卫日本本土为己任的联合舰队对此有不可推卸的责任，联合舰队总司令山本五十六听说裕仁天皇在轰炸中被迫躲进防空洞时，又惊又愧。他连忙给天皇打电话，再三请罪，并保证采取措施，立即摧毁美国的航空母舰舰队。
美军空袭东京对大多数日本人来说是一场灾难，但对山本和他的联合舰队来说却成了好事，命运的天平开始倾向山本。海军军令部中坚决反对中途岛“东进作战”计划方案的人不得不承认来自东方的威胁比来自南方的威胁更大，更现实。海军军令部为没能保住首都的安全而不安，因而反对进攻中途岛的意见便烟消云散了。
4月19日，也就是东京遭袭的第2天，山本五十六亲自给海军军令部打电话，理直气壮地说：“进攻中途岛就是拱卫首都的安全，保卫天皇陛下的安全，这是帝国军人的神圣职责！”
下午，罗斯福在白宫召开记者招待会，会场气氛热烈。《洛杉矶时报》的一位女记者问红光满面的罗斯福：“请问总统先生，轰炸东京的飞机是从哪个基地起飞的？”
罗斯福微笑着用他特有的幽默回答：“香格里拉，我想是从那里。如果不是这样，亲爱的小姐，你说又能是从哪里呢？”
香格里拉是詹姆斯·希尔顿的小说《失去的地平线》中的神秘天堂，罗斯福以此掩盖了使用航空母舰这一事实。这次美国对东京的空袭使日本参谋本部颜面尽失，因为没有情报表明美军航母上有双发飞机，所以空袭过后数日内日本人仍不明白是怎么回事。将一系列的情报联系起来，包括发现美舰队、遭到空袭、在中国发现飞机残骸以及经过严刑拷打从俘虏那里得到口供，日本人终于明白了袭击的全过程。
日本联合舰队立即组织截击哈尔西的“迈克特遣舰队”，但是哈尔西的特混舰队轻易地躲开了追击的飞机，快速前行。几天后，日本海军只好放弃追击。
4月20日，日本陆海军军令部召开联席会议。海军军令部总长永野修身主持会议，决定延期执行“南进作战”计划，全力以赴攻占中途岛。会议授权联合舰队尽快拿出详细的作战方案。
山本五十六立即责令参谋班子昼夜加班，迅速制订出进攻中途岛的作战计划方案。作战计划方案包括3项独立又相互支援的作战行动：（1）占领西阿留申群岛；（2）占领中途岛；（3）实施舰队决战。战役的基本目的是通过占领中途岛为日本海军航空兵获取前进基地，继续向中太平洋和西南太平洋扩张，同时诱歼美国太平洋舰队。
4月21日，美国海军部部长史汀生召见陆军参谋长马歇尔将军和陆军航空兵司令阿诺德将军，和两人认真谈了有关日军攻打西海岸的可能性。他在日记中写道：“……我深感有这种危险：我们最近轰炸东京、横滨，日本人已大大地丢了脸，他们一定会动用航空母舰进行报复性反击。然而，我们西海岸的兵力严重不足，麻烦的是我们很难派出轰炸机去支援他们。”
4月27日，日本政府的英文报纸《日本时报与广告报》对美军空袭东京等地做了如下评论：“这件事本身已经证明是一件不引人注意的小事，大多数东京市民没有意识到这次空袭警报与平时防空演习警报有什么不同……日本空防的成功可以从下面的事实看出来：只有约10架敌机在中午时突破了日本警戒线……一艘敌航空母舰可以起飞近百架飞机，但仅有10架突入我几乎密不透风的空防，这真是少有的记录。……这次空袭最确凿地证明美国现在处于多么绝望的境地……这次空袭纯粹是为了讨好他们的民众，堵民众的嘴巴，平息社会的批评……”
4月28日，山本五十六在“大和号”战列舰上召开会议，探讨战争第一阶段的经验教训。联合舰队作战参谋、山本的副官三和义勇说：“……研究至今仍是场场胜利的战争，这样的会议令人愉快，可是并没有开出什么效果。”
会上，联合舰队第二航空战队指挥官山口多闻极力主张将联合舰队组建成以航空母舰为核心的3支庞大的机动部队。这与航空兵飞行员渊田美津雄中佐的思想是一致的，他俩认为日本有足够的战列舰、巡洋舰、驱逐舰等支援舰只用于掩护部队，有足够的航空母舰把两支庞大的机群送到海上，而且按预定计划到年底还会有足够的新的航空母舰组成第三支机动部队。空军认为联合舰队司令部同意了他们的建议，但是时间一天天地过去了，却总看不到建议付诸行动。
山本五十六对这种自吹自擂的气氛有些恼火。他在会议结束时作了简短的讲话，警告说：“如果不根据长远计划进行更多的作战准备并在作战中作出更大努力，就很难取得最终的胜利。”他还强调指出：“如果陶醉于过去的一系列胜利，认为我们将会战无不胜，这种思想犹如疾病缠身，是非常有害的。”
4月底，山本五十六将中途岛作战计划方案正式提交海军军令部总长永野修身批准。
5月5日，海军军令部总长永野修身奉天皇敕令，发布了《大本营海军部第18号命令》，正式下达代号为“米”的中途岛作战计划。
帝国联合舰队总司令长官山本五十六将军与陆军协同占领中途岛和阿留申群岛西部战略要地。此令。
中途岛登陆日期暂定为6月7日，登岛各部队必须在5月下旬分别由各基地出发。为了发动现代日本海军70年历史上最大的一次海战，山本五十六必须在半个月内完成庞大的备战工作。有海军军令部批准，有首相东条英机的首肯，加上裕仁天皇的敕令，山本理直气壮，万事俱备。为了完成梦寐以求的战略目标，山本开始调动所能调集的一切舰船，将所有兵力编为6个战役编队。
1.先遣部队
由第六（潜艇）舰队司令小松辉久中将指挥，辖轻型巡洋舰1艘、潜艇15艘。其任务是先行侦察中途岛的美军情况及天气状况，并在开战前进抵中途岛至夏威夷之间组成潜艇警戒线，以阻击支援中途岛的美国舰队。
2.第一机动部队
由第一航空舰队司令南云忠一中将指挥，辖重型航空母舰4艘、战列舰2艘、重型巡洋舰2艘、轻型巡洋舰1艘、驱逐舰12艘及各类舰载机261架。其任务是在登陆作战之前空袭中途岛的美军机场及各种设施，消灭岛上的美军航空兵，支援并掩护登岛部队作战，同时阻击可能来犯的美国舰队。
3.攻占中途岛部队
由第二（重巡洋舰）舰队司令近藤信竹中将指挥，辖轻型航空母舰1艘、战列舰2艘、重巡洋舰8艘、轻巡洋舰2艘、驱逐舰21艘、水上飞机母舰2艘、运输舰船15艘及若干扫雷舰、猎潜艇等舰船，各类舰载机56架。舰上载有登岛部队5800人。其任务是在第一机动部队消灭中途岛的美军航空兵后，输送并掩护登岛部队占领中途岛，同时在中途岛附近海面阻击来犯的美国舰队。
4.主力部队
由山本五十六亲自指挥，辖轻型航空母舰1艘、战列舰7艘、轻巡洋舰3艘、驱逐舰21艘、水上飞机母舰2艘（携带袖珍潜艇）以及各类舰载机35架。其任务是掌握中途岛、阿留申群岛作战全局，间接支援北方部队的作战，重点支援中途岛作战，同时攻击美国舰队。
5.北方部队（阿留申部队）
由第五舰队司令细萱戊子郎海军中将指挥，分为北方部队主力、第二机动部队、阿图岛攻占部队、基斯卡岛攻占部队和潜艇部队等5个支队，总计有航空母舰2艘、重巡洋舰3艘、轻巡洋舰3艘、辅助巡洋舰1艘、驱逐舰12艘、潜艇6艘及扫雷舰、运输船等若干艘，舰载机82架。另外，搭载陆、海军登岛部队2450人。其任务是空袭荷兰港美军海空基地，破坏阿达克岛的美军军事设施，攻占基斯卡岛和阿图岛，迎击美军舰队。
6.岸基航空部队
由第十一航空舰队司令冢原二四三海军中将指挥，辖轻巡洋舰1艘、驱逐舰3艘、运输舰19艘以及各种岸基飞机214架。其中，36架“零”式战斗机由第一、第二机动部队的航空母舰携带，将在占领中途岛后立即以岛上机场为基地实施空中作战。该航空部队的任务是侦察珍珠港方面美军舰队情况，在各部队实施中途岛作战期间尽可能以太平洋各岛屿为基地，进行大范围空中侦察与警戒。
中途岛作战计划方案中，日军总计动用水面舰艇206艘、舰载飞机470架、岸基飞机214架、登陆部队及基地设置部队1.68万人。一次出动如此庞大的海上兵力是日本海军70年来从未有过的。截至5月中旬，中途岛的战备工作几近完成，各舰队开始集结。
5月18日，参加中途岛作战的陆军分队司令率领参谋人员登上“大和号”战列舰，听取联合舰队总司令山本五十六的训令，了解有关作战计划。
至此，中途岛战役的所有参战部队的作战计划均已部署完毕。