Главные же события, как и было запланировано, развернулись на севере. Соединению Нагумо удалось скрытно приблизиться к Датч-Харбору, пользуясь сложными погодными условиями, но внезапная атака на аэродромы сорвалась, так как японская ударная волна была вовремя обнаружена американскими РЛС. Несмотря на это, японцы смогли поразить все основные объекты атаки и нанести тяжелые потери американской береговой авиации в воздушных боях. Ответные действия американской береговой авиации были неэффективны. Большинство самолетов не нашли цели из-за плохой видимости – авианосцы Нагумо умело прятались в полосах тумана и дождевых шквалах. Разрозненные атаки одиночных самолетов и небольших групп не принесли американцам никакого результата, но зато привели к тяжелым потерям. Большая часть самолетов из-за погодных условий обнаружить ударное соединение не смогла, зато некоторые атаковали (с умеренным эффектом) силы вторжения. Тем не менее заявки на попадание американские пилоты предоставляли регулярно, создав у командования ложное представление о тяжелых потерях японского ударного соединения.
Между тем авианосцы Нагумо отошли к югу и выпустили вторую волну для атаки обнаруженного гидросамолетом-разведчиком соединения Спрюэнса. С некоторым опозданием, связанным с ожиданием результатов атак сухопутных ВВС и уточненных данных о положении противника, начались и атаки американских палубников с ТФ16. Авиагруппы с ТФ17 цель не нашли и, исчерпав запас горючего, вынуждены были вернуться на авианосцы ни с чем. Бой фактически вылился во взаимную атаку, но японская была куда лучше организована. Нагумо вновь удалось отбиться из-за нескоординированности действий янки. А вот массированный удар японских летчиков достиг цели.
«Йорктаун» получил попадания двух торпед и трех авиабомб, с трудом сумев принять свою наполовину выбитую авиагруппу. «Энтерпрайз», атакованный самолетами 2-й дивизии Ямагути, отчаянно маневрируя на полном ходу, уклонился от всех торпед, но получил в палубу пять прямых бомбовых попаданий. В результате остатки его авиагруппы вынужден был принять на борт «Хорнет» – единственный авианосец Спрюэнса, оставшийся относительно невредимым. Менее опытные летчики 5-й авианосной дивизии – самой молодой в японском флоте не смогли добиться необходимой координации атак. К тому же они были вынуждены делить свое внимание между авианосцем и многочисленными артиллерийскими кораблями, оказавшимися поблизости. Именно эти последние и приняли на себя основной удар: «Норт Каролина» получила два бомбовых попадания, тяжелый крейсер «Честер» – торпеду в корму, а один из эсминцев эскорта, по ошибке принятый за крейсер, отправился на дно от нескольких прямых попаданий. «Хорнет» получил лишь одну бомбу, разрушившую один из самолетоподъемников.