1942年（昭和17年）12月10日、軍令部第一部作戦課航空部員（大本営海軍参謀）就任。ガダルカナル島の撤退を意地や面子で決めかねていた大本営で源田は「近くに飛行場のないガ島での空中戦に勝算なし」と断言した。12月27日から源田は山本祐二中佐と共に陸軍とガダルカナル島撤退要領、ソロモン方面主戦の合同研究を3日間行い、12月末ガダルカナル島撤退作戦が決定された。1943年2月から数度にわたり、敵に察知されることなくガダルカナル島からの撤退は成功した。零戦が既に敵から十分研究されているであろうと考えた源田は、零戦とは別に異なる画期的な戦闘機を求めて高速戦闘機を模索するが、技術的に提案する知識がなかった。そこに同じ考えを秘めていた鶴野正敬技術大尉が現れ、高速戦闘機「震電」の開発に動き出した。要求性能で揉めたが、源田は「400ノットの高速戦闘機が欲しいのであまり付帯要求を付けないように」という指導的意見をして、鶴野は要求性能をまとめることができた。同機は試作機の製造までで終戦を迎えた。また源田は、防御力を重視したB-17爆撃機に匹敵する大型攻撃機「十八試大攻(連山)」の開発計画も進めた。同機は試作機の飛行に成功したが資源の枯渇で中止された。源田は航空機の防弾に取り組んでいたが、障害もあった。三福岩吉（艦爆搭乗員）によれば、一式陸上攻撃機の後継機である爆撃機「銀河」の防弾導入に対して、操縦性を求める江草隆繁から防弾装備の反対が起こり、江草をなだめるために源田が出向くこともあったという。曽根嘉年によれば、1943年（昭和18年）夏に零戦の防弾とその重量による性能低下が焦点となり、会議は二分した際、源田は「大和魂で突貫しなくてはならない。どうも精神的な面もみんな緩んでいるようだ。ここはひとつそういう議論はやめて、うんと軽くていい飛行機を作ってもらって、我々は訓練を重ねて腕を磨き、この戦争を勝ち抜こうじゃないか」と言って会議を締めることもあったという。零戦の防弾は源田の任期から取り入れられ、同年末生産の消火装置装備に始まり、順に装備されている。同年、横須賀海軍砲術学校において源田が出張して生徒達に航空講義をした際、「万里の長城」「ピラミッド」「大和、武蔵」は世界の笑い物だと発言し教頭・黛治夫に取り消すように迫られた。7月1日、経済的理由や人員・機材不足から難航していた第一航空艦隊（一航艦）が再建された。航空母艦を建造する時間的経済的余裕がないこと、母艦機搭乗員は教育訓練が困難であること、空母の脆弱性から西南太平洋に散在する基地を不沈空母として活用する機動集中が可能な部隊という源田の構想の下行われた。この部隊の中核人員は真珠湾攻撃時の一航艦メンバーであったため「源田一家」と呼ぶ声もあった。将来の主戦力として期待されたが、練成途中にクェゼリン、ルオットの玉砕があり翌年2月15日に連合艦隊への編入が決められた。9月16日、源田は陸軍参謀・瀬島龍三との共同研究による大本営陸海軍部の合一に関する研究案を提出する。大本営の指揮系統一元化また航空兵力の一元化を提案した。1944年（昭和19年）2月、米軍機動部隊がマーシャル諸島に来襲してメジュロ環礁を根拠地とすると、源田と藤森康男（潜水艦部員）を中心に雄作戦が立案された。マーシャル諸島泊地を目標とする真珠湾攻撃の再現する構想であり、航空作戦は、敵に油断はないため夜間、しかも搭乗員が未熟であることから月夜の奇襲とした（空襲に呼応し特四式内火艇で泊地水中攻撃も行う）。6月8日の満月の日を予定して連合艦隊に提案したが、3月30日のパラオ大空襲に起因して連合艦隊司令長官・古賀峯一が遭難死し（海軍乙事件）、計画は実現しなかった。戦後、源田は「今考えると珊瑚海海戦あたりから敵にこちらの情報が読まれている節があり実施したとしても奇襲が成立せず当方が予期したような成果を挙げることが出来たか疑問である」と話している。同年夏、連合艦隊司令官・豊田副武大将は立直しをはかり、マリアナ・パラオ諸島の戦いにおいて米軍を迎撃すべく「あ号作戦」を計画した。軍令部側の源田は豊田の幕僚に淵田美津雄中佐がいたため航空作戦の計画がやりやすかったという。日本軍はあ号作戦の決戦海面に西カロリンを想定していたが、米機動部隊のマリアナ来襲で6月19日にマリアナ沖海戦が勃発。同海戦では、小沢治三郎中将がアウトレンジ戦法を指揮して敗北しているが、この戦法に源田は反対で現地に出張した際に機動部隊の幕僚に忠告していた。また、角田覚治中将が指揮する第一航空艦隊も参戦したが、決戦前にすでに戦力を消耗しており、源田も「すでに練度の高い搭乗員から消耗されており大して実力があったとは思わない」「不沈の陸上基地も南洋諸島のように各基地が数百カイリ以上も離れて孤立し相互支援が十分に利かないところでは母艦群の圧倒的な兵力には抗じ得なかった」と話している。マリアナ沖海戦での壊滅を受けて、海軍ではサイパン奪回作戦の甲案とマリアナ確保断念の乙案が検討された。甲案で源田は、陸海軍の保有する全戦闘機で一群300機の少なくとも三群を編成し、母艦や硫黄島経由でマリアナに片途飛行をやり、空戦後同地の飛行場に着陸、一基地に100機以上を配すれば、その時の制空権は概ね日本に帰すため、これを爾後三回同様のことを繰り返し、マリアナの制空権を一時的に奪回して、全艦艇と必要な輸送船を送り込んで、陸上から敵兵を海中に追い落とす作戦を提案した。乙案も陸海軍の航空兵力統一運用を重視しており、源田は乙案において陸海の統帥部の統一や航空機工業の統一にも言及した。日本は乙案を選択した。また7月10日、空地分離方式が導入された。もともと必要性は認められていたが、主として切羽詰まった作戦上の要求から、源田が中心になって推進した。いずれの決戦方面であれ、航空兵力を移動集中する必要があったが、航空隊移動の都度、基地員や物件を移動する従来の方式では間に合わないため、空地分離による円滑化を進めた。準備中に敵の来攻を受けたが、ともかく航空部隊の移動集中ができ、作戦実施が可能になったのはこの方式の成果であったマリアナ沖海戦の敗北後、城英一郎大佐、岡村基春大佐などから軍令部作戦課に特攻の意見具申があった。航空本部課長・伊東裕満も特攻兵器「桜花」の案とその搭乗希望者の署名を持ち込んで源田に軍令部側の採用を促した。この時期に関して、源田は「マリアナ沖海戦後、前線の若手士官、下士官から覚悟があるので体当たり機の使用を始めさせてほしいと上申があったが、軍令部は十分に効果がある爆弾の開発があるまで待ってほしいとなだめていた。桜花も同じ時期に軍令部への説得、働きかけがあった」「余りにも数多い特攻兵器は、何を重点にして整備すべきか選択に迷うべき程であった。何もかも航空部隊に依存し飛行機がなければ、水上部隊は何事も出来なかった状況を憤慨し、「痩せ馬に荷を負わせ過ぎる」と言って水上、水中の特攻兵器を強調する人が居る反面、航空特攻を第一義とすべしという考えの人も相当に居た。殊に航空関係において然りである」と証言している。また、桜花の利点は炸薬量が多いのが魅力だったと話している。8月5日、源田は軍令部会議で桜花案を報告、軍令部総長・及川古志郎と同第二部長・黒島亀人が承認して研究試作が開始した。しかし、源田の任期中は桜花を兵器として採用することはなかった。10月、大西瀧治郎が第一航空艦隊長官に内定したときに軍令部で源田に戦力を持っていきたいと相談するが、源田はそれがないことを告げ、零戦150機の準備をすることを約束した。その際、源田は大西から場合によっては特攻を行うという決意を聞かされたという。大西は現地で特攻を開始、奥宮正武によれば特攻が開始されたときに軍令部で速報を手にした源田は沈痛な面持ちで「二機命中一機命中だぞ、わかるか、二機一機だぞ」と嘆いたという。軍務に従い源田は発表方法について大西に意見を求める電文の起案を担当している。11月、連合艦隊が特攻のために航空機300機の増援を軍令部に要請し、大西が練習航空隊からの抽出を要望したことに関連して、11月19日に航空本部や人事局との打ち合わせに行かされた源田は、抽出すると新規搭乗員の教育を停止しなければならないため、問題はそこまで犠牲を払って果たしてそれに見合う戦果が期待できるかどうかであり、影響を無理のない範囲でとどめておくには、教育の一部停止により抽出の兵力を当面作戦に投入しておき、それに次いで現在練成中の桜花隊を進出させるのが好ましいと反対した。源田は特攻の命令や指導をしたことはないが、こういった時期に軍令部にいたため、源田も特攻に積極的だったと見る者もいれば、源田は最後まで正攻法を訴えたため、特攻に消極的だったと見る者もいる。源田は「補給路を遮断せられ、本土の生産施設をも敵の爆撃機に蹂躙せられては、大勢挽回の望みはない。神風特攻隊も本土決戦の思想も、それ自身においては崇高であり、批判の対象にすることは適当ではないが、戦略的見地に立って見れば、救国の道に通ずるものではなかった」と見ている。あ号作戦以降、日米の航空戦力はますます懸隔して、日本がアメリカに対抗するためには敵の意表を突く何らかの方策による活路が求められた。日本の航空機はアメリカの空母群に到達する前に、電探（レーダー）と巧みに連携した戦闘機に捕捉され、到達しても重厚な対空砲火を受けることになる。また、日本は航空機生産力、搭乗員の練度から戦闘機隊の増強に実効性に自信を欠いた。そこで想定作戦場面（日本本土、台湾、比島、南西諸島）が台風常襲経路であり、かつ予期される敵進攻時期も過去の統計から10日から週1度の頻度で台風が発生する来襲期であることから機会到来は高確度であること、台風による悪天候で海面が荒れるため、敵戦闘機の出撃、対空砲火を制約・阻害でき、意表を突くことができることから源田によってT攻撃部隊が提案された。源田のT攻撃部隊案は、荒天により発着困難な昼間の攻撃を本旨として、機会がない場合は敵の活動が不十分な夜間に攻撃するというものだったが、提案された図上演習で、指揮権を持つ第二航空艦隊（二航艦）司令部側からは、T攻撃部隊による夜間攻撃を中核とする、昼間攻撃、薄暮攻撃の各種組み合わせを定めて、状況に応じて適用する戦法が示された。10月、T攻撃部隊が壊滅した台湾沖航空戦では二航艦の戦法が実行され、作戦指導、戦果報告、損害など索敵結果以外は二航艦の図上演習と類似した結果になった。この戦果報告は過大に誤認されたものだったが、藤森康男によれば、疑念もあり軍令部作戦課は源田を中心にさらに検討を加えたが、さしあたり公的には現地部隊報告を基礎に資料作成するほか名案もなかったという。当時、源田は、ミッドウェー海戦での日本の失敗をアメリカが犯したのではないかと考えを述べた。源田はこれで敵の進撃が止められると思ったという。この航空戦の被害によって、捷号作戦におけるT攻撃部隊の活躍が期待できなくなり、源田がT攻撃部隊で計画していた丹作戦の実行も不可能になった。この作戦は、部隊の練度から暗夜の攻撃が不可能と見ていたため、満月に近い黎明に攻撃するように工夫して、米機動部隊が停泊して活動が不十分な夜間に奇襲するというもので、源田が連合艦隊司令部とともに指導していた。米機動部隊のマーシャル帰投を想定していたが、9月28日、米機動部隊がサイパンに帰投・補給している情報を受け、「丹作戦に準ずる作戦」と改めてサイパンに帰投した機動部隊を目標にしたが、10月4日偵察を行うも発見せず、機動部隊は西に出動してしまい、作戦は次の月明期まで延期になっていた。