1 ноября 1940 года Ямагути был назначен командиром 2-й дивизии авианосцев, включавшей в себя «Сорю» и «Хирю». Под его командованием это соединение участвовало в ударе по Пёрл-Харбору 7 декабря 1941 года, захвате Уэйка и рейде в Индийский океан в марте — апреле 1942 года. В ходе Мидуэйского сражения вечером 4 июня того же года «Хирю» в результате налёта американцев получил 4 бомбовых попадания и разделил судьбу 3 авианосцев, погибших утром. После безуспешной борьбы за живучесть, когда стало ясно, что корабль уже не спасти, контр-адмирал Ямагути сообщил адмиралу Нагумо, что намеревается отдать приказ команде о необходимости покинуть судно. Собрав уцелевших моряков на дымящейся палубе, Ямагути сказал: «Как командир дивизии авианосцев я один несу ответственность за гибель „Хирю“ и „Сорю“. Я останусь на борту до конца. Приказываю всем немедленно покинуть корабль и продолжать верно служить Его Величеству императору». В ночь на 5 июня 1942 года Ямагути приказал всем оставить авианосец и добить его торпедами.