1941年（昭和16年）7月に第3潜水隊司令に就任。潜水艦5隻、特殊潜航艇（以下「特潜」）5隻で構成された特別攻撃隊指揮官として真珠湾攻撃に参加した。引く続く特潜の第二次攻撃では東方先遣隊指揮官として、シドニー湾攻撃を実施している。1943年（昭和18年）1月には潜水学校教頭、1944年（昭和19年）7月18日には第一特別攻撃隊附となる。同部隊は特攻兵器・回天搭乗員の訓練部隊である。10月に少将へ昇進していた佐々木は第六艦隊参謀長に就任。作戦首脳の一人として回天作戦に関わった。