1937年7月七七事变爆发后中日战争。1940年1月15日任第一联合航空队司令官，与大西瀧治郎为司令官的第二联合航空队一起参与重庆轰炸作战，5月山口与时任支那方面艦隊参谋长的井上成美以及大西瀧治郎一同指挥101号作战轰炸重庆，企图通过空中攻势进行无差别轰炸，摧毁中華民國國家最高統帥蒋介石领导的国民政府之坚持抗日战争的意志。由于在缺乏护卫战斗机的情况下，急于发动进攻，导致轰炸机机组人员大量傷亡，他獲得“杀人多闻丸”之称呼（其名字“多闻”是来自日本南北朝的楠木正成的小名“多闻丸”），直到较长续航力的零式战斗机参加实战，才确保了制空权。