1942年6月4日，山口多闻指挥第二航空战队参加中途岛海战。在发现美军航空母舰的报告后，通过驱逐舰“野分”转发信号向南云提出马上起飞攻击部队去攻击美国航母，而南云则决定优先收回攻击中途岛的飞机，再对美军航母发动进攻。随后美军航母的俯冲轰炸机对“赤城”“加贺”“苍龙”三艘航母发起致命打击，当“飞龙”驶过受创的“苍龙”时，山口发出信号“请奋力抢救航舰”。随后山口指挥“飞龙”发动两波空袭，瘫痪了美军航空母舰“约克城”（后被潜艇击沉），但“飞龙”被来自美军航空母舰“企业”的俯冲轰炸机摧毁。6月6日晨，在二航战旗舰