1941年12月8日の真珠湾攻撃の際には第1次攻撃隊制空隊第3小隊長として志賀淑雄大尉らとともに出動するが、山本は目標到着直前に民間の練習機を発見。これを撃墜し太平洋戦争の撃墜第1号を飾った。さらにヒッカム飛行場の銃撃に移り山本は計6機を炎上させた。以降、「加賀」とともに転戦。1942年（昭和17年）6月5日のミッドウェー海戦では母艦直衛の任務にあたり、来襲した敵爆撃機、雷撃機群を迎撃し小隊共同で5機を撃墜したが、敵艦爆隊の奇襲により｢加賀｣が被爆。山本は「飛龍」に着艦して戦闘を継続し、アメリカ空母「ヨークタウン」所属のF4F戦闘機を4機撃墜した。7月からは空母「瑞鳳」戦闘機隊に配属され、南太平洋海戦をはじめとするソロモン諸島の戦いで戦った。日本に帰還後、横須賀海軍航空隊勤務となるが、1944年（昭和19年）6月にあ号作戦が発動されると硫黄島に進出して戦闘の機会を待つが、アメリカ艦隊の艦砲射撃により左胸部を負傷して日本本土に後送される。療養生活ののち、「雷電」や「紫電」の量産機のテスト・パイロットを務め、小園安名大佐率いる第三〇二海軍航空隊への配属も内定していた。