Sau khi đã xác định AF chính là đảo Midway, Đô đốc Chester W. Nimitz bố trí lực lượng của mình gồm 3 tàu sân bay với 233 máy bay, 15 tàu khu trục, 8 tàu tuần dương, 16 tàu ngầm cùng 127 máy bay sẵn sàng cất cánh từ sân bay trên đảo Midway.[11] Để có thể tập hợp đầy đủ lực lượng cho cuộc chiến đấu sắp tới, Nimitz gọi trở lại các lực lượng của vị tướng hậu phương là Đô Đốc Frank Jack Fletcher từ vùng tây nam Thái Bình Dương. Chiếc Yorktown vốn đã bị hư hại nặng trong trận biển Coral, nhưng xưởng hải quân Trân Châu Cảng đã gắng sửa chữa nó để đưa vào phục vụ. Trong vòng 72 giờ, chiếc Yorktown được biến từ tình trạng hỏng hoàn toàn thành một chiếc tàu sân bay (nếu có thể nói như vậy) hoạt động được. Đường băng trên boong của nó được chữa tạm, các bộ phận rầm trong bị bỏ đi và được thay thế, và nhiều phi đội mới (được chuyển từ chiếc tàu sân bay Saratoga sang) được đưa lên boong. Đô đốc Nimitz hoàn toàn không cần tới chiếc tàu sân bay thứ ba đang hoàn thành để đưa vào lực lượng của mình, những việc sửa chữa thậm chí còn tiếp tục khi chiếc Yorktown đã xuất kích. Chỉ ba ngày sau khi được đưa vào ụ tàu ở Trân Châu Cảng, chiếc tàu này đã lại có thể hoạt động, và đoàn thủy thủ của nó tấu lên bài "California, Here I Come".

Trong lúc ấy, vì đã tham gia vào trận biển Coral, chiếc tàu sân bay Nhật Zuikaku đang đậu ở cảng Kure (gần Hiroshima), chờ đợi một phi đội máy bay mới để thay thế những chiếc đã bị phá huỷ, trong khi chiếc tàu Shokaku bị hư hại nặng còn đang phải đợi trong ụ khô để được sửa chữa thêm những hư hỏng trong trận chiến. Dù có thể lấy máy bay từ hai chiếc tàu đó để tái trang bị cho chiếc Zuikaku với một tập hợp máy bay mới, người Nhật không hề cố gắng đưa nó vào trận chiến sắp tới.

Những sắp xếp trinh sát chiến lược của người Nhật trước trận chiến cũng rất lộn xộn. Một nhóm cảnh giới gồm các tàu ngầm Nhật đến vị trí muộn, giúp cho những chiếc tàu sân bay Mỹ đến được địa điểm tập kết ở phía đông bắc Midway (được gọi là "Point Luck") mà không bị phát hiện. Một nỗ lực nhằm sử dụng các thủy phi cơ trinh sát bốn động cơ để do thám Trân Châu Cảng trước trận đánh (và nhờ thế phát hiện được sự vắng mặt của những chiếc tàu sân bay Mỹ), được gọi là "Chiến dịch K", cũng bị bỏ ngang khi những tàu ngầm Nhật vốn được giao trách nhiệm tái cung cấp xăng dầu cho những chiếc máy bay trinh sát phát hiện ra rằng điểm cấp xăng – cho đến lúc ấy là vùng vịnh trống trải French Frigate Shoals – đã bị các tàu chiến Mỹ chiếm đóng. Vì vậy, Nhật Bản mất đi mọi tin tình báo liên quan tới các hoạt động của các tàu sân bay Mỹ ngay trước trận đánh. Tình báo radio của Nhật cũng nhận thấy một sự gia tăng hoạt động của cả tàu ngầm và trao đổi thông tin của Mỹ. Thông tin này đã được báo tới cả Nagumo và Yamamoto trước trận đánh. Tuy nhiên, các kế hoạch tác chiến của Nhật không được thay đổi trước những dấu hiệu đó. Trái lại, Nimitz biết rất rõ vị trí của Nagumo nhờ vào ưu thế tình báo của mình.