长期跟踪日军情报的罗切斯特和莱顿发现一个规律，日本海军习惯用“A”打头的字母组合代表美军在中太平洋海区的部署。比如他们曾用“AH”代表1941年12月7日偷袭的珍珠港，以“AG”代表从马绍尔群岛起飞的水上飞机。
自1942年4月起，日军的密电异常频繁，其中不断出现“AF”字母代号，它代表什么意思呢？联合舰队的电报中，曾提及AG在执行任务时要避开AF的空中搜索，罗切斯特据此判断它只能代表中途岛或是附近地区的代号。
罗切斯特的判断虽然有一些依据，但很难使所有人信服。在盟军内部，对日本即将发动一场大规模进攻的问题已经达成共识，但日军将要进攻哪里则分歧巨大。坐镇本土的欧内斯特·金认为最有可能的是美国西海岸旧金山，所以他在本土保留了一些海空军力量；人在澳大利亚的麦克阿瑟认为日军会继续南下，切断美澳运输线；英国则认为日军的目标是印度洋。
尼米兹无论是主观上还是客观上都倾向于中途岛，但他缺少有力的依据。5月10日，罗切斯特来到太平洋舰队司令部，与尼米兹和莱顿进行商谈。他提出了一个大胆的想法，即要求中途岛用明码向珍珠港发出电报，称净水设备损坏，岛上失去了唯一的水源。
尼米兹采纳了这个建议，通过海底光缆向中途岛发出指令，于是一封“诱饵”电报从中途岛发出。两天后，罗切斯特的情报站截获了一份日军密电，称“AF可能缺乏淡水”。至此，日军的行动目标得以确立。
其实在一周前尼米兹就趁着珊瑚海海战没有开打时，就专程赴中途岛视察防务。5月2日，他在岛上见到了守军指挥官赛马德中校和海军陆战队指挥官香农中校。他和官兵们一起匍匐着走进炮兵掩体和地下指挥所，检查飞机库和通信设备，尤其检查了中途岛和珍珠港之间的海底电缆系统。这条电缆虽然陈旧，但可以依靠它直接进行英语通信，而不必担心被敌人侦听。
视察结束后，他先是肯定了两位指挥官的工作，然后问他们“是不是解决了你们需要的东西，就能守住中途岛，打退敌人的海陆进攻”？香农立刻给予了肯定的答复。于是尼米兹让香农列出所有要求，然后返回中途岛。
在尼米兹的亲自过问下，数千米的铁丝网，上千吨的水泥和弹药，几万只沙袋迅速运抵中途岛。守备部队增加至2000多人，作战飞机则猛增至120架。
罗切斯特和莱顿继续提供着价值无法估量的情报，他们不仅掌握了日军夺岛的企图——逼迫太平洋舰队决战，还摸清了日军的作战计划、参战兵力、舰队规模、进攻路线和进攻发起的时间。此次作战，日本联合舰队将倾巢出动，大小舰船共200余艘，其中包括6艘航空母舰，作战飞机为700多架。日军将兵分两路，以一部分兵力进攻北太平洋的阿留申群岛，主力则分为先遣部队、攻岛部队、岸基部队、机动部队和主力部队，其中南云忠一率领的机动部队含4个航母编队，用于对付可能出现的美军太平洋舰队主力。联合舰队司令山本五十六则亲率主力部队，随时支援机动部队的行动。
山本并不知道自己的行动计划已经被美军侦悉，他期望能够复制珍珠港的奇迹。在具体进攻日期上，山本选定了6月7日凌晨，那时的月光对夜间行动和登陆极为有利。此外他还提前派出先遣部队，在珍珠港和中途岛之间建立一条警戒线，监视美军舰队的动向。
尼米兹摸清了山本的计划，他准备复仇。最初他以为日军会派出10艘航母出战，如果是那样的话，自己拿出所有进攻力量也没有取胜的可能，充其量不过是跟日军拼消耗。但罗切斯特和莱顿的报告让他心里有了一些底气。
太平洋舰队原有5艘航母，分别是“企业”号、“大黄蜂”号、“萨拉托加”号、“约克城”号和“列克星顿”号。珊瑚海一战，“列克星顿”号已经沉入海藻丛生的热带海底，“约克城”号则遭遇重创。“萨拉托加”号虽然已经修复，但他们仍在西海岸的圣地亚哥，无法如期抵达中太平洋。只有哈尔西的“企业”号和“大黄蜂”号随时可以投入作战。
即便拥有情报优势，也无法抵消二比四的进攻劣势，于是他致电欧内斯特·金，希望能借用英国海军驻防在印度洋的3艘航母中的1艘。但英国海军部拒绝了，他们仍然担心日军随时可能向印度洋发动进攻。
至于其他舰船，美军也处于绝对劣势。
联合舰队拥有23艘巡洋舰，太平洋舰队只有8艘；
联合舰队拥有11艘战列舰，其中还包括世界上最大的战列舰“大和”号，而太平洋舰队只有6艘。
不仅如此，美军的战列舰普遍航速偏慢，难以配合航母作战。尼米兹希望欧内斯特·金可以从旧金山调几艘战舰助战，但两个人都担心西海岸的安危，不得不放弃这个想法。
5月27日，伤痕累累的“约克城”号返回珍珠港，已经熬红眼睛的尼米兹下令：想尽一切办法，三天内把它修好！
整个海军工厂都忙碌起来，精通维修技术的尼米兹也穿上齐腰长的长筒裤站在船坞里现场指挥。推进器和升降机是好的，木质飞行甲板在返航时也已经修复。被炸坏的隔舱可以用木料临时支撑住，舰仓则需要修补，弹片已经把舰体炸出了几个窟窿。
“约克城”号进入船坞不到一个小时，焊接工具、钢板和其他材料就集中到了船坞，维修人员则一刻不停地开始工作。三天后，完成修复并加满油的“约克城”号返回第17特混舰队。
尼米兹回到办公室时，走廊里正回荡着他熟悉的粗厚低沉的讲话声，那是他的爱将和老友哈尔西的声音。见到哈尔西时，尼米兹明显感到对方面容憔悴，而且消瘦了很多。原来哈尔西一直患有皮炎，自从4月初率领舰队空袭东京以来，高度紧张的工作让他的病再度复发，白天要处理公务，晚上则难以入眠，医生提出的意见是必须入院治疗。
尼米兹不得不重新考虑指挥中途岛战役的人选，哈尔西向他推荐了巡洋舰指挥官斯普鲁恩斯，尼米兹心中则属意刚刚指挥过珊瑚海海战的弗莱彻。他把弗莱彻找来，并以挑战式的口吻对他说：“你知道吗？日军已经任命了接管中途岛的指挥官。”弗莱彻能感受到尼米兹的愤懑，敌人在考虑战役结束后的人事任命，而自己却还没有确定指挥这场战役的指挥官。
两个人的谈话并没有结果，其中有一个重要因素是作战部长欧内斯特·金反对由弗莱彻指挥这场战役，他一直质疑弗莱彻的指挥能力。尼米兹要求弗莱彻回去准备一份详细的书面材料，阐述他在珊瑚海海战的指挥经过，然后他提笔给金写了一封电报：“弗莱彻在港口停留了3天，我终于有机会同他讨论珊瑚海地区的战斗，澄清了对他的部队在战斗中缺乏积极性的看法。我希望您在读过这封电报后，将同意我的意见——弗莱彻在珊瑚海海战中显示了卓越的判断能力，出色地完成了任务。他是一位优秀的海军指挥官，希望你能任命他为一支特混舰队的司令。”
对于哈尔西的意见，尼米兹也部分采纳了。他决定让斯普鲁恩斯代替哈尔西指挥第16特混舰队，但他也明确告诉斯普鲁恩斯，指挥航母舰队是临时性工作，战斗结束后自己将任命斯普鲁恩斯担任太平洋舰队的参谋长。
斯普鲁恩斯有些失落，但他还是立即投入到战前的准备当中。
在太平洋舰队内部，仍然有一些人对情报部门得出的结论持怀疑态度。他们质疑山本为什么会派出联合舰队主力进攻小小的中途岛呢？这会不会是日本人迷惑美军的假情报？更何况日军的习惯是从来不用电报沟通头等机密军事行动的。
尼米兹给出了他的解释，使用电报是因为时间紧迫，没有其他手段代替电报。至于为何联合舰队倾巢出动，是因为山本希望夺取中途岛后，诱使太平洋舰队主力北上增援，进而与美海军决战，复制37年前东乡平巴郎在对马海峡的决定性胜利。
其实尼米兹心里也忐忑不安，他的作战方案完全依赖情报无误，可现有的情报是否可靠？一旦莱顿和罗切斯特判断出错，比如日军进攻的目标是自己所在的瓦胡岛又该怎么办？
当他把莱顿叫到自己的办公室时，他开门见山地要求对方提供更具体的情报，莱顿则坦言很难具体。莱顿是老情报官，已经养成了谨慎的行事风格。
“我要你具体地谈。”尼米兹用不容置疑的口气对他说，“无论如何，这是你的任务，你必须现在站在日军将领的角度，告诉我他们的作战计划。”
莱顿这才鼓舞勇气把自己的分析和盘托出：敌军在6月3日进攻阿留申群岛，航母部队则会在6月4日早晨进攻中途岛。在6月4日这一天，敌军会从西北方向发起进攻，方位325度，距离中途岛175海里，第一波儿空袭会在早上6点钟……
5月27日晚，太平洋舰队司令部和第16、第17特混舰队召开参谋联席会议。出席的人员包括司令部方面的尼米兹、舰队作战官麦克·莫里斯和情报处长莱顿。两支舰队参会的包括弗莱彻、斯普鲁恩斯和他们各自的舰队作战官。
会上尼米兹确定了作战原则，在兵力处于劣势但掌握敌方情况的前提下，务必出其不意、先发制人，使敌方的航母处于被动挨打的地位。预计敌人会在拂晓发起进攻，我方发动进攻的时机应包括“敌航母一半舰载机起飞袭击中途岛”时，或是“敌方袭击结束返回航母”时。最佳时机则是敌舰正在为返航的舰载机加油、补充弹药时，但抓住那样的时机几乎不可能。
临到最后，尼米兹还特意叮嘱弗莱彻和斯普鲁恩斯：“你们要遵循的原则是：值得冒险才去冒险，如无机会致敌严重损失，则不应将己方部队置于优势之敌的袭击之下。”
5月28日清晨，斯普鲁恩斯率领第16特混舰队先期离开珍珠港，然后以环形队形向西北方向驶去。他在舰上看到了第29-42号作战计划，对报告中提及的日军进攻中途岛的具体细节和时间的精准程度瞠目结舌。
5月30日，弗莱彻率领第17特混舰队出发，于6月2日在中途岛以东海域与斯普鲁恩斯会合。
6月3日，尼米兹命令珍珠港实行灯火管制，海岸上了无人迹，维修车间关闭机器，工人配发枪支，港内军舰的舰炮做好迎战准备。从日军电讯中了解到，阿留申群岛的牵制性进攻已经打响，但尼米兹无暇顾及，他只是在几天前派出支援舰队赶去增援。
在司令部，尼米兹、莱顿和一众参谋人员一分一秒地忍受着煎熬。尼米兹在作战室一角支起了行军床，以供疲劳时休息一会儿，在房间的另一端则是莱顿休息的沙发。
6月4日凌晨，侦察机发回消息：主力……方位62度，距离700海里……11艘军舰，航向090，航速19节。
通讯官立即把报告递给尼米兹，后者终于舒展开紧缩的眉头——日军果然驶向了中途岛。
他立即给特混舰队和中途岛发去了电报：“情况的发展正如所料，敌航母是我们的主要目标，位置应能立即找到。未来两三天的战斗将影响太平洋战争的进程。”
天色微明时，侦察机给中途岛发来明码急电：“发现2艘航母和主要舰艇，方位320度，航向135度，航速25节，距离180海里。”电报很快转发给太平洋舰队司令部。尼米兹大吃一惊，侦察机的报告与莱顿的预测几乎毫无偏差。
6时25分，中途岛通过海底电缆发回了一封简短的电报：中途岛遭空袭。
这是日军发动的第一波儿袭击。36架水平轰炸机和36架服从轰炸机，在36架“零式”战斗机击退中途岛美军拦截飞机后，开始对岛上设置进行轰炸。机场、油库、海上飞机滑道、营房等处均遭破坏，另有15架战斗机在空中交战中被击落。
在之后的2个小时里，尼米兹没有收到任何前线部队发来的消息。直到8点多才再次收到中途岛的电报，内容是从中途岛起飞的轰炸机和鱼雷机进攻日军航母编队的战果：“33架鱼雷攻击机被击落，仅剩3架战斗机未遭破坏，我俯冲轰炸机去向不明。”
尼米兹的眉头再次紧缩，第一轮进攻显然是日军获胜。当他正在房间里来回踱步时，莱顿递给了他一封刚刚被罗切斯特破译的日军电报：发现10艘敌人舰只，方位10度，距离中途岛240海里，航向150度，航速20节以上。
这份电报证明日军侦察机已经发现美军航母编队了！
莱顿并不同意尼米兹的判断。从电文上看，美军舰队的确被日军侦察机发现，但他们没有提到航母，所以他估计日军认为那不过是一支普通舰队。
莱顿的判断是对的，南云忠一收到的确认消息是：美舰为5艘巡洋舰和5艘驱逐舰。所以他没有立即下令进攻美军海上舰队，而是命令在甲板上待命轰炸机继续执行对中途岛的第二轮轰炸。
然而侦察机在不久后又发来消息：“敌舰似乎由1艘航母殿后！”
南云陷入了两难，第一波儿进攻中途岛的飞机还没有回收，舰上其他飞机已经做好继续进攻中途岛的准备，可以随时起飞。如果立即放飞，则不能确保第二轮打击达到预期效果，如果等待第一波儿飞机回收并完成加油、补充弹药，再一起发动攻击，则可以增强进攻力量。代价则是拖延进攻时间1小时。权衡再三，他命令暂停进攻，等重新完成集结后再采取行动。
弗莱彻和斯普鲁恩斯的舰队一直保持着无线电静默，所以尼米兹收不到他们的消息。他强作镇定，但是在参谋们看来他已经相当激动。尼米兹喊来科茨少校，责问他：“为什么收不到电报？为什么听不到一点情况？”后者无奈地回答道：“不知道。”
科茨表示不想发催促电报，尼米兹也表示同意。他依旧靠破译日军密电了解美军航母的情况。
9时，日军侦察机发出报告：“10架敌鱼雷机正朝你飞来。”尼米兹断定这是从航母起飞的飞机。
美军抓住了千载难逢的战机。10时8分，“企业”号打破无线电沉默，发出“立即进攻”的呼叫，尼米兹听得出来，那是斯普鲁恩斯的参谋长迈尔斯·布朗上校的声音。
美军的航母累计起飞了152架飞机，包括85架俯冲轰炸机、41架鱼雷攻击机和26架战斗机。然而庞大的集群缺乏配合，编队四分五裂。由于侦察机的失误，美军飞机在预定海域没有发现南云忠一的舰队，有的飞行编队则偏离了方向。一队14架鱼雷机组成的编队从预定海域向北飞行，他们终于发现了日军航母编队，但他们的攻击没有战斗机掩护，进攻在非凡的勇气下进行，最终纷纷被日军巡逻战斗机和舰上的高炮击落。
第二波儿进攻共有26架鱼雷机，他们对“苍龙”号和“飞龙”号发动了进攻，但没有一枚鱼雷命中日舰。
戏剧性的转折随之而来。33架从“企业”号起飞的俯冲轰炸机在预定海域周边搜索了近一个小时，油料即将耗尽，他们正准备返航时，发现了一艘日军驱逐舰。飞行员认为顺着驱逐舰就能找到日军航母，于是他们紧随日军驱逐舰而行，果然在不远处发现了4艘航母组成的日军机动舰队。
“企业”号上的轰炸机向“赤城”号和“加贺”号发动了进攻，与此同时从“约克城”号起飞的17架俯冲轰炸机将目标对准了日舰“苍龙”号。此时日舰处于极易受攻击的境地，甲板上堆满了没有来得及搬运的鱼雷和炸弹，飞机正在加油，而空中巡逻的战斗机则在追杀发动上一波儿袭击的美军飞机。
当美军轰炸机酣畅淋漓地绞杀日军航母时，尼米兹再次迎来了一段难熬的等待，他不停地让莱顿通过热线电话询问罗切斯特，是否截获日军电报，但罗切斯特那里也没有一点消息。尼米兹开始变得乐观，日军没有发出电报，很可能是没有能力发了。
“赤城”号在遭到攻击的几分钟后就彻底瘫痪，甲板上的飞机被剧烈的颠簸摇摆甩到了大海里，大火已经无法控制，南云忠一不得不降下将旗，将指挥部迁到巡洋舰上。该舰在次日傍晚沉没。
“加贺”号也奄奄一息，舰体发生巨大爆炸，舰长也被炸死。两个小时后，这艘航母已经烧得剩下一个躯壳。“苍龙”号这时则已经倾覆大海。
“飞龙”号舰长山口多闻接过了空中作战的指挥权。他于10时40分下令攻击美军航母“约克城”号，小林率领的6架俯冲轰炸机冲破美军防空拦截，3枚炸弹击中“约克城”号，引起该舰起火，锅炉气压下降，失去了航行能力。
罗切斯特截获了日军情报：“我们正在攻击敌航空母舰。”接着弗莱彻也打破无线电沉默，给太平洋舰队司令部发回了一封电报：“中途岛以北150海里，遭到空袭。”
“约克城”号经过抢修恢复了航行，但在下午3时遭到日机第二轮空袭，舰上动力、照明、通讯系统均遭破坏，左舷倾斜。当舰体即将倾覆时，舰长不得不下达弃舰的命令。弗莱彻请求设法营救“约克城”号，尼米兹命令第17特混舰队终止进攻，全力营救“约克城”号航母，同时命令斯普鲁恩斯继续指挥第16特混舰队对日作战。
对日舰“飞龙”号的攻击是斯普鲁恩斯的第16特混舰队完成的。一队俯冲轰炸机悄悄接近日舰，一连串炸弹呼啸而下，至少4枚炸弹命中。该舰在当晚沉没于大海，舰长山口多闻将自己绑在舰桥上，随船一同沉入海底。
斯普鲁恩斯这时才向尼米兹发出了战报：“在上午9时至11时之间，第16、17特混舰队航空兵袭击了包括大约4艘航空母舰、2艘战列舰、4艘重巡洋舰和6艘驱逐舰在内的敌军航空母舰部队。据信其中4艘航空母舰均遭倾覆。我方飞机损失严重。”
尼米兹终于溢出了轻松的微笑，多日的疲惫一扫而空。他给参战部队发出了早就拟好的电报，并抄送欧内斯特·金上将：“今天参加中途岛战斗的官兵，在我们的历史上写下了光辉的一页。我为你们骄傲，我相信你们将全力以赴彻底打败敌人。”
太平洋舰队司令部里洋溢着胜利喜悦，人们围坐在一起吸烟休息，脸上则掩饰不住骄傲的神情。清晨欧内斯特·金发来了贺电：“美国海军、海军陆战队和海岸警卫队，对在中途岛英勇善战、击退敌军进攻的美国海军、海军陆战队和陆军部队表示由衷的钦佩。相信战友们能再接再厉，彻底歼灭来犯之敌。”
太平洋战区陆军部队指挥官埃蒙斯带来了香槟。他没有多说话，命令副官将所有香槟都打开，作战室里顿时芳香四溢。尼米兹和将士们自珍珠港事件后，第一次开怀畅饮。
庆祝之余，尼米兹想到了还在情报站地下室里埋头工作的罗切斯特，于是命人把他接来。当后者“磨磨蹭蹭”地赶来时，庆功会已经结束，尼米兹正在召开高级军事会议，他起身迎向罗切斯特，并郑重向在场的官员们介绍说：“他是中途岛之战的有功之臣。”
尼米兹的赞扬是由衷的，即使多年以后他还是直言不讳地说，中途岛大捷是“情报的胜利”。
参战的将士们则给这次胜利加上了另一条不可或缺的因素——尼米兹的判断和安排。
