在１９４０年的一次春季演習中，當他看到航空兵在訓練中取得理想成績時，轉身對他的參謀長說：“訓練很成功，我想進攻夏威夷是可能的。”從這時候起，山本就著手準備珍珠港之戰(zhàn)了。珍珠港位于日美之間太平洋東部的夏威夷群島，距日本３５００多海里，距美國本土２０００海里，是美國太平洋艦隊最重要的基地。

　　１９４１年１月７日，山本寫信給海軍大臣及川古志郎，正式提出了偷襲的設想。此后就和幾個參謀一起，極端秘密地制定“Z”作戰(zhàn)方案。６月，正式方案提出后，曾在日本上層引起爭論，一些人不相信龐大的艦隊橫渡３５００海里而不被發(fā)現(xiàn)，對這一計劃的可行性表示懷疑。山本固執(zhí)己見。甚至以辭職相要挾。日本統(tǒng)治集團為了“南進”，于１０月中旬批準了這個計劃。于是，山本指揮聯(lián)合艦隊選擇了與珍珠港相似的鹿兒島灣，開始了緊張的模擬訓練。

　　１９４１年１２月７日凌晨，從六艘航空母艦上起飛的第一攻擊波１８３架飛機，穿云破霧，撲向珍珠港。７時５３分，機群發(fā)回“虎、虎、虎”的信號，表示奇襲成功。此后，第二攻擊波的１６７架飛機再次發(fā)動攻擊。倉促應戰(zhàn)的美軍損失慘重，８艘戰(zhàn)列艦中，４艘被擊沉，一艘擱淺，其余都受重創(chuàng)；６艘巡洋艦和３艘輔助艦艇被擊傷，１８８架飛機被擊毀，數(shù)千官兵傷亡。日本只損失了２９架飛機。日本聯(lián)合艦隊的軍官們握手相慶，欣喜若狂。山本雖故作鎮(zhèn)靜，但他的部屬們?nèi)钥吹贸鏊�激動得滿臉通紅，露出開心的笑容。

　　珍珠港事件發(fā)生后，美國總統(tǒng)羅斯福把１２月７日宣布為“國恥日”，而大洋另一邊的日本舉國歡慶。山本五十六立即成為家喻戶曉，婦孺皆知的大英雄。由于山本策劃和創(chuàng)造了世界海戰(zhàn)史上遠距離偷襲的奇跡，使得他威名大震，顯赫一時。山本面對其一生的最得意之作，并沒喪失理智。他深知，當時美國的生產(chǎn)能力數(shù)倍于日本。美國的戰(zhàn)爭機器一旦開動起來，日本斷難獲勝。

　　出于賭徒的本能，山本想對美國再進行一次奇襲，進攻珍珠港西北近１３００英里的中途島。但是，這次山本輸了。由于美軍破譯了日軍的密碼，贏得了作戰(zhàn)準備時間，調(diào)兵遣將，布下了伏擊日軍的陷井，以劣勢兵力重創(chuàng)日軍，擊沉了日本的４艘航空母艦，一艦重巡洋艦，重傷１載重巡洋艦和２艘驅逐艦，擊毀日機３３２架，數(shù)千日軍官兵包括許多富有經(jīng)驗的艦載機飛行員喪生。美軍僅損失航母一艘、驅逐艦一艘，飛機１４７架。

　　這一挫折，沉重打擊了山本的自尊心，日本海軍也從此開始走下坡路。１９４３年４月，美軍情報人員再次破譯了日軍的密碼，獲悉山本將于４月１８日乘中型轟炸機，由６架零式戰(zhàn)斗機護航，到前方視察的消息。羅斯福總統(tǒng)親自做出決定：“截擊山本。”美國人從容部署，派出戰(zhàn)斗機空中伏擊，擊落了山本五十六的座機。

　　第二天，日軍找到了座機殘骸。山本五十六依然被皮帶縛在座椅上，他頭部中彈，仍挺著胸，握著佩刀，但垂下了頭。日本方面將山本五十六的死訊封鎖了３４天。

　　５月２１日東京電臺才宣布“山本壯烈犧牲”的消息。日本當局追授山本元帥軍銜。

　　６月５日，舉行了百萬人參加的葬禮。