..1 ноября 1940 Ямагути был назначен командиром 2-й дивизии авианосцев, включающей в себя «Сорю» и «Хирю». Под его командование это соединение участвовало в ударе по Пёрл-Харбору 7 декабря 1941, захвате Уэйка и рейде в Индийский океан в марте-апреле 1942. В ходе Мидуэйского сражения вечером 4 июня во многом из-за его нерешительности «Хирю» не успел поднять свою авиагруппу до налёта американцев, получив 4 бомбовых попадания и разделив судьбы 3 авианосцев, погибших утром. После безуспешной борьбы за живучесть в ночь на 5 июня Ямагути распорядился покинуть корабль и добить его торпедами. Сам он вместе с командиром авианосца капитаном 1-го ранга Каку остался на борту, желая своей смертью искупить вину за потерю вверенного ему соединения. По распространённой в ЯИФ традиции посмертно ему присвоили звание вице-адмирала..