1944年（昭和19年）末、源田は、制空権を獲得できないこと、つまり戦闘機隊が負けていることが戦争に負けている原因とつくづく考えて、制空権を獲得して米の攻勢を食い止めることを期した第三四三海軍航空隊（以下、「343空」とする）を提案し、認められて12月25日に編制されると、1945年（昭和20年）1月15日、自ら343空司令に就任し、1月19日に松山基地に着任した。343空は、戦闘機「紫電改」を集中配備して、編隊空戦、情報、通信を重視した源田の構想のもとで訓練された精鋭部隊として有名である。機材、人材に独占感もあり一部から非難もあったようだが、源田の情熱と実行力の賜物であった。今まで幕僚を務めてきた源田は「小さいながら初めて決定権を持ったことに大きな意義を感じた」「自身も戦闘機乗りであったことから冥土の土産に航空隊で暴れたいという気持ちであった」という。源田は編隊戦闘を重視して、四機一区隊、二機一組は乱戦でも離れないように指導した。B-29に対しても、1個編隊に3個飛行機隊をぶつけて分散しないように注意して、傷つき編隊から遅れた敵は2-3機に任せ、他は続けて無傷の敵を攻撃するように指導した。また、大編隊同士の空戦では肉眼で優位を占めるのは困難であり、小隊のように軽快な運動もできないため、空中指揮官が戦闘計画を頭に置き、初動において優位を占めて邀撃の効果を高められるように、直前の敵情を通知する偵察第4飛行隊を加えた。源田は、指揮所、宿舎、整備補給拠点の分散設営、分散整備態勢の確立、指揮所通信網・情報収集機能の充実、特に航空隊レベルを超えた指揮通信網の整備を行った。レーダー、見張り所、上級司令部をつないだ情報ネットワークの形成。最もいいタイミングで戦えるように米機動部隊の情報を送る連絡将校を陸海軍に派遣。源田は、不良状態だった無線電話の実用化に注力して、343空通信科の努力と横空の技術支援で10倍の改善に成功している。山田良市は「この時ほど、日本海軍において、地対空、空対空の無線電話が活用され実績を挙げた例はほかにはないと思う」と語っている。源田自ら空中指揮をとるつもりだったが地上からの方が総合的な判断できるため取りやめ、信頼できる空中指揮官に細部の戦闘指揮は一任した。爆撃の数と性質から妨害不可能な見送るべき敵編隊に対しても見敵必戦を通したが、正面から当たっても犠牲が出るだけであることからやみくもに戦わせず、空襲帰りで燃料を消費し、油断している敵の最後尾を捕えて攻撃した。撃墜されるという心理的効果だけでも与える狙いと撃墜による日本軍の士気向上という狙いから出撃させた。源田は、伝統や階級にとらわれず部下と接する司令であった。部下たちからはオヤジと呼ばれて敬愛され、源田の死後もそれは続いた。反骨者の菅野直も源田には心服しており、小島光造（菅野の中学・海兵同期）は「規則にうるさい上司だったら、菅野は秩序を乱す不届き者として見られ、彼自身くさってしまったかもしれない。源田さんはその辺を見抜き、とにかく戦闘に勝ってくれればよしとして細かいことは一切言わなかった。菅野もそうした源田さんの知遇に応えて、戦闘では抜群の働きをした」と語っている。源田は菅野が未帰還となった際、「自分の弟を失ったような悲しみを覚えた」という。行方不明扱いで終戦を迎えた菅野に対し、源田は終戦後の9月20日に海軍大臣に二階級特進を具申して認められた。志賀淑雄飛行長によれば、源田司令は扇の要のように隊を引き締め、笑う姿は慈父のようだったという。山田良市大尉は「見敵必勝は源田さんの持論であったようである。戦力を無駄に消耗させるような作戦指導は一度も行われなかった。無線電話による地上からの作戦指導は神業に近く、空中指揮官の信頼は絶大であった」「司令は部下に対しては、指導はしても叱責することはなかった。司令の統率は全隊員にまで及び、源田さんへの敬愛は今日（没後）も続いている。戦争末期、戦局が苦しい時、三四三空があれほどの戦果を挙げ得たのは、紫電改が優れていたというだけでなく、源田司令の比類ない作戦能力と統率力によるところが大きかった」と語っている。本田稔少尉は源田について「時に精神主義もとり入れられたが、考え方は常に科学的で合理的であった」と話している。菅野ら隊員が少将や佐官参謀と問題を起こして帰った翌日、源田がその少将と談笑しており、小さくなった隊員に「お前ら昨日は元気が良かったそうだな」と声をかけただけでその件は問題にならなかった。また、宮崎勇は菅野に連れ出され無断外出をして温泉へ行った際、温泉で源田とはち合わせたことがあった。無断外出は明らかな違反行為で小さくなった2人に源田は「温泉はいいのう、気をつけて帰れよ」と声をかけて咎めることはなく、菅野は「さすがおやじだ」と感心した様子だったという。長いブランクのある源田が「紫電改」に初搭乗した際、吹流しの風を計算した着陸を行い「そうとう余裕がなければできない」と隊員らは感心した。杉滝巧上飛曹によれば、源田から軍ではありえない下士官の直接報告を許され、熱心に話を聞いてくれたうえ、労いの言葉までかけてくれたという。2月初旬、隊員に戦死した時に少しでも遺品を残せるように髪と爪を切って遺骨箱に残すことを命じて、自らも行う。2月中旬、源田は准士官以上に対し誓って制空権を獲得し戦局挽回を期すという決意を示して思想統一を行う。新基軸のため、半年は実戦不参加で訓練の予定であったが、3月19日に米機動部隊が来襲して迎撃に参加する。源田は「古来これで十分という状態で挑めた戦の例などない。目標は敵戦闘機、爆撃機には構うな」と訓示する。300機あまりの米艦上機を迎え撃ち、このうち57機の撃墜を報告、これに対し味方の未帰還は13機という戦果をあげて初陣を飾った。連合艦隊司令長官・豊田副武から3月24日付で「機略ニ富ム戦闘指導ト尖鋭ナル戦闘実施トニヨリ、タチマチニシテ敵機六十余機ヲ撃墜シ全軍ノ士気ヲ昂揚セルハ、ソノ功績大ナリ」と感状が授与された。4月、源田は特攻をさせるつもりはなかったが、第五航空艦隊の命令に従って、343空は沖縄戦で特攻の制空権確保に参加する。援護機としてではなく、制空権を取るために突撃啓開して経路を確保する戦法をとった。第五航空艦隊から343空に特攻を出すように打診がきた際に、志賀淑雄は「私が先頭で行きます。兵学校出は全て出しましょう。予備士官は出してはいけません。源田司令は最後に行ってください。ただし条件として、命令してきた上級司令部参謀が最初に私と来るというなら343空はやります」と上申、源田も「全くだ」と同意して、その意思を上に伝えたが、それ以降343空には特攻の話が来なくなった。5月、憲兵と揉め事を起こした小高登貫らを軍法会議にかけるために佐世保鎮守府の参謀から343空に隊員の引き渡しを要求されたが、源田は「いま九州の制空権は、どこの航空隊が握っているか知っているか。いうまでもなく、わが第三四三空である。その航空隊の搭乗員を軍法会議につれて行ったらあとは誰が九州の制空権をまもるのだ。どうしても欲しいというなら骨にしてから返す。帰りたまえ」と追い返し、隊員には「士気高揚のために、大いに暴れろ。責任はいっさい司令が取る」と励ました。戦争末期には、343空も衰弱したが、士気が衰えることはなかった。8月に入ると343空は飛行機、搭乗員等の補充要求を一切やめた。福知山に移り夜間攻撃だけを敢行する予定で、残った隊員と源田、志賀も出撃する予定であった。源田は自らの最後をいかに飾るかを考えるようになり、志賀が倒れた後は自分が空中指揮をとって戦うつもりで、飛行機乗りらしい最後を望んでいたという。8月、海軍は広島、長崎に続く原爆投下を阻止すべく戦闘機隊に対し、B-29が単機で侵入した場合は体当たりで即時撃墜せよと命令を下した。343空司令の源田は第三の原爆はあってはならないと心に決め、「我が剣部隊も既に組織的な攻撃に対する機能は乏しくなった。もし今度、新型爆弾に対する情報が入ったら、俺が体当たり（特攻）をしてでも阻止してみせる。その時は本田分隊士、二番機をつとめてくれ」と話し、本田稔も決心した。二番機は源田の援護ではなく、源田の特攻でも落ちない場合にとどめをさす役割であった。本田は源田の技量について、非常に腕がよく、操縦もとてもうまかったが、荒いのでついて行くのが大変だったと語っている。8月15日、終戦を大村基地で迎える。源田は降伏に驚き、信じられなかったという。翌日に大分の第五航空艦隊司令部へ飛び、海軍総隊参謀副長・菊池朝三から聖旨が伝えられるが、源田、701空司令・榎尾義男、722空司令・岡村基春は納得せず、8月17日に横須賀、軍令部へ行き軍令部部長・富岡定俊少将から説明を受ける。源田は高松宮宣仁親王（同期）にも会い納得する。343空整備主任の古賀良一大尉によれば、15日以降の源田の指揮統率は戦時にもまして見事なもので、毅然とした源田の態度に隊員も励まされたという。源田は「隊員らは厳しい時期に勝利感を味わって帰還していた、彼らは過酷な戦局の清涼剤のような働きをした、分が悪いと感じたのは8月ごろからだった」「あと4つ同じような部隊があれば敵進攻を相当制止できただろう」「圧倒的不利な条件下ではまあまあの戦いが出来た」「自衛官としてアリゾナ州ウィリアムス基地に招待された時、隊員たちの報告以上の戦いぶりを聞かされた」「ミッドウェーの敗戦で自らの仏心を戒め心を鬼にして見敵必戦を心がけていたが、出撃時は無事でいてくれと願っており矛盾した心境であった」「部下には厳しい戦いをさせた、恨んでいる者もいるかもしれないが仕方がない」と語っている。戦後、343空の部下やその遺族たちと集まった際には、自身の指揮下で死なせてしまった部下について謝罪した。19日、錬成部隊のあった松山で源田は「陛下の一言いかんともできない。重臣たちがそそのかしたものなら徹底抗戦のつもりだったが、自由もよい、民主もよい、今日から源田は一個人である。もうこうして諸君らと会うこともないだろう。国家再建は容易ではないだろうが頑張ってもらいたい」と訓示する。本部隊のあった大村基地では「盡忠の誠足らず、事は是に至った。自ら軍令部に入り今回の放送は、陛下御自らの大御心であることが充分納得出来て今帰って来た。之以上戦を続けるとは不忠の臣となる。諸君は直ちに帰郷して祖国再建に立ち上がって欲しい。恐らくこの世の中で諸君と再び会うことはないと思う、皆元気で自分の志に進んで欲しい」と訓示する。高松宮の言葉「陛下を悲しませる行動はいけない。次の世代に譲れる日本の繁栄を復興するために自重せよ」も伝える。源田は戦争中に3度がっかりした瞬間があり、ミッドウェーで四空母を失った時、マリアナ沖海戦敗北、終戦と回想している。10月、佐世保鎮守府付。11月、予備役編入 。