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. Не смотря 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 не эффективны. 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 не скоординированности 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.