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，在二航战旗舰飞龙遭受重创无法挽回的状况下，山口拒绝同僚换乘舰撤退的要求，离别时首席参谋伊藤清六中佐留下山口的军帽作为纪念，山口与加来止男舰长一起留在飞龙号航空母舰上与舰同沉，享年49岁。次年4月24日日本才以《提督的最后》为题的节目公开他们的死讯。
指挥风格.山口指挥航空部队从事高强度训练使事故多发，侧重迎头痛击，导致日军本身也伤亡惨重，被士兵称为“疯狂多闻”