1939年二戰爆發時，美國並未參與，情報官艾德溫·萊頓（派翠克·威爾森 飾演 ）跟日本海軍大將山本五十六（豐川悅司 飾演）見面，談到戰爭局勢，
山本五十六提到日本國土太小資源貧乏，侵略中國奪取大量物資礦產，供應製造武器。石油又仰賴美國供應，所以兩國不會開戰。
1941年12月7日，美國位於夏威夷珍珠港基地的美軍們正享受美好星期天，日本大批軍機無預警偷襲，對停泊的軍艦進行毀滅性的轟炸，這起事件造成兩千多名美軍殉職，羅斯福總統宣稱此日為美國的國恥日，遂加入二戰行列。
海軍上尉迪克·貝斯特（艾德·斯克林 飾演）前往醫院找尋最好的同學，在醫師的協助下，憑藉畢業的海軍戒指找到焦黑的屍體，他忍不住痛哭，誓言替同學討回公道。
1942年2月美軍航艦發動馬紹爾島&吉爾伯特群島突襲，4月杜立德空襲東京，5月雙方進行珊瑚島海海戰。
1942年6月，日本放棄原先往西南太平洋推進的計畫，轉為進攻中太平洋的中途島，目標是利用登陸艦隊引誘在珍珠港事件逃過一劫的美軍航空母艦前來，再派遣日軍與航空母艦予以伏擊。
當時美軍的戰機防空高砲戰力遠不及日本，飛行員每次出任務傷亡慘重。
萊頓少校提交在中途島戰役前獲得重要破解情報，萊頓的長官親自前往電譯處查看工作環境，情報處的領導人羅契福（布倫南·布朗 飾演），穿睡袍毛絨絨拖鞋跟他見面，對萊頓嘀咕很難相信穿毛絨拖鞋的人。
萊頓保證情報處的電譯人員敏銳度精準度都很高，這群樂隊手組成的破解密碼員，對聲音和節奏感敏銳度高，可以聽出細微的聲音變化而破譯日軍密電。
而羅契福像個拼圖訊息的高手，可以融合前後好幾個月的資訊，再歸納出準確度極高的情資。
戰區司令切斯特·尼米茲海軍上將（伍迪·哈里遜 飾演 ），聽了報告，決定相信萊頓的情報，開會制定反制日本的策略。
1942年3月破解了難以掌握的日本「JN-45」密碼，提前察覺日軍已鎖定中途島，即將發動另一波重大攻擊。若取得中途島，日本將得以於珍珠港與日本本土間建立據點，夏威夷等同近在眼前，兵進美國本土輕而易舉。
1942年6月4日，日軍艦隊「赤城」、「加賀」、「蒼龍」與「飛龍」四艘航空母艦派出戰鬥機和轟炸機襲擊中途島。
同一時間，美軍則來了「企業號」、「大黃蜂號」和「約克鎮號」三艘航空母艦進行埋伏，當日軍集中火力空襲中途島時，美軍的混合艦隊則趁隙對日軍母艦發動攻擊，其中也包含了魚雷轟炸機。
所有飛行員抱著擊沉日軍航空母艦的決心，無論魚雷不是提早爆，就是啞彈，多數轟炸機被擊落，倖存飛行員布魯諾（尼克·強納斯 飾演）落海後被日軍俘虜，逼問航空母艦位置，堅決不吐露半句，被拋海淹死。
日本海軍中將南雲忠一（國村隼 飾演）眼看美軍轟炸機，戰鬥機不斷投擲一枚枚炸彈到航空母艦上，下令更換魚雷，讓美國潛水艇及時攔截日本巡洋艦，錯失再給美軍致命攻擊時機，飛龍號受損嚴重，基於武士道精神，南雲忠一本該跟隨軍艦自沉謝罪，山口多聞少將（淺野忠信 飾演）扛下這個責任。
貝斯特和機槍手莫瑞完成第一趟任務，太多同僚未歸，心情低落，卻還得再飛一趟，貝斯特已吸入污染的氧氣，開始咳血，冒著肺部受損危險，低聲下氣請求莫瑞再幫他一次，他成了炸掉日本兩艘航艦的英雄，付出終身不能再飛行的代價。
《決戰中途島》講述第二次世界大戰太平洋戰爭重要轉折點中途島海戰，經此一役，日本海軍受到打擊，扭轉整個太平洋戰場的局勢。
今日科技進步，整部電影海戰場面非常出色，看著美軍轟炸機俯衝過日軍高射砲掃射，把炸彈投擲到航空母艦上，恍如身臨其境。
劇中出現的人物都是真有其人，77 年後的現在，導演藉電影向當年最偉大的一代英雄人物致敬。
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