この間、盧溝橋事件が発生して日中戦争（支那事変）に拡大、第二次上海事変が起きると海軍航空隊も本格的に投入された。山本は外交問題の処理に携わり、1937年（昭和12年）8月に駐華イギリス大使ナッチボルー・ヒューゲッセン()が日本軍機の誤爆で負傷した事件、12月に海軍航空隊が米砲艦を誤爆したパナイ号事件の解決に奔走する。山本は駐日アメリカ大使ジョセフ・グルーに謝罪、同時に綿密な検証によってアメリカの誤解を解き、事件の余波を最小限に抑えている。だが1938年（昭和13年）11月25日、米内が南シナ海の海南島を占領する計画を五相会議で提案し、閣議了承される。海軍軍令部（次長・古賀峯一、第一部長・宇垣纏、第一部第一（作戦）課長・草鹿龍之介）も賛同し、1939年（昭和14年）2月に日本軍は海南島を軍事占領した。山本は米英の反発を招く事を懸念して反対したが、軍令部総長・伏見宮の賛成により制止できなかった。草鹿によれば日本の南方進出を見込んだ布石であったが、東南アジアに多数の植民地を持つ欧米列強との関係は一挙に悪化することになった。3月、米国で客死した前駐米大使・斎藤博の遺骨が米巡洋艦「アストリア」("USS Astoria, CA-34") で礼送され、横浜港にて山本が受け取ったという。4月、航空本部長を兼務した。