ミッドウェーでは大敗したものの、その後も各地で日本海軍の進撃は続き、直後の5月30日にはオーストラリアのシドニー港のオーストラリアおよびアメリカ海軍艦艇を攻撃しこれに成功している。さらに6月にはアラスカのダッチハーバーの海軍基地への空襲を実施しこれに成功した。9月には、伊号第二五潜水艦の艦載機により、2度に渡りアメリカ本土を初空襲し成功した。2回の空襲とも「アメリカ本土爆撃」というシンボル的効果を狙ったものである上に、森林を爆撃することによる延焼被害を狙ったものであり、直接的に人的被害を出すことを目的とした空襲でなかったこともあり、日本海軍に目的通り民間人や軍人に死者は発生しなかった。また、9月初頭と爆撃前日に降り続いた雨により湿気があったためもあり、空襲による森林の延焼は本格的な消火活動が行われる前に自然消火するなど、空襲による直接的な被害は大きなものではなかったが、アメリカ史上初の敵軍機による本土空襲を受けてアメリカ政府は、太平洋戦線における日本軍に対する相次ぐアメリカ軍の敗北に意気消沈する国民に対する精神的ダメージを与えないために、軍民に厳重な報道管制を敷き、この空襲があった事実を極秘扱いにした。
1925年（大正14年）12月、駐米大使館付武官となって、再びアメリカに滞在する。山本の航空隊在任は1年3ヶ月であったが、「天洋丸」に乗船してアメリカに向う山本の頭上を、航空隊の部下達が編隊を組んで見送った。この際にも再びアメリカの石油や自動車、航空機や船舶などの生産や流通体制を視察、研究し、この経験が後の対米戦の戦略立案に大きな影響を与えた。1927年（昭和2年）8月24日、美保関事件で軽巡洋艦「神通」艦長・水城圭次が自決した際、駐米武官・伊藤整一が「死んでは意味がない」と述べたところ、山本は「死を以て責に任ずるという事は、我が武士道の根本である。その考えが腹の底にあればこそ、人の長としても御勤めができる。そういう人が艦長に居ればこそ、日本海軍は大磐石なのだ。水城大佐の自決は立派とも言えるし、自分としては当然の事をやったとも考えて居る。君の様な唯物的考えは、今時流行るのかも知れぬが、それでは海軍の軍人として、マサカの時に役に立たぬぞ」と叱りつけている。
1919年（大正8年）4月5日にアメリカに駐在を受命、ハーバード大学に留学した（～1921年5月5日）。アメリカに駐在する前の1918年（大正7年）から「ナショナルジオグラフィック」を購読していた。長男の山本義正は、2度目のアメリカ滞在から日本に戻った1928年（昭和3年）以降のこととして「（山本がアメリカから帰国してから1930年（昭和5年）まで住んだ）鎌倉・材木座の自宅には、ナショナルジオグラフィックがアメリカから毎月届きました。当時小学生だった私は、父より先に封筒から取り出して良く見たものです」「（山本の）本棚の半分はアメリカの歴史に関する本で、他に黄色い背表紙のナショナルジオグラフィックがたくさん並んでいました。付録地図もケースの中に大切にとってありました。父はアメリカを知るためのあらゆる勉強をしていました」と語った。アメリカ国内を視察し、油田や自動車産業、飛行機産業とそのサプライチェーンに強い印象を受けている。日本では専売指定されていた砂糖と塩がともにプラントで大量生産され市場で大量消費されていることをワシントンD.C.の喫茶店で身をもって知り、彼我の生産および流通の圧倒的な差に衝撃を受ける。後に軍縮会議出席のため渡米中、山本がコーヒーに多量の砂糖を入れて飲むのを見た同席者が「ずいぶん甘党ですね」と声をかけると、「できるだけ（仮想敵である）アメリカの物資を使ってやるんだ」と冗談で答えている。このアメリカ滞在時に駐米海軍武官の上田良武大佐（海軍航空開発の第一人者）より受けた指導と視察、研究の影響が、航空機に着目するきっかけになった可能性がある。
1913年（大正2年）、両親が死去。夏季休暇を利用して母を看病している。同年12月、海軍大学校に入学する。在学中の1915年（大正4年）、牧野忠篤の口添えで、旧長岡藩家老の家柄である山本家を相続する。海軍省に対する山本家への入籍および改姓届出は同年9月20日付。1916年（大正5年）12月、海軍大学校を卒業。1917年（大正6年）1月、腸チフスにかかり、療養中に発症した虫垂炎のため生命の危険に陥る。大手術の末に回復し、故郷長岡で翌年6月頃まで休養した。姪で看護師の高野京が看病をした。1917年（大正6年）7月、海軍省軍務局員を務めたのち、海軍教育本部第一勤務となった。この頃、友人から紹介された三好礼子に一目惚れし、見合いを経て8月31日に結婚した。
星野家は、1831年（天保2年）から1911年（明治時代末）まで、福岡村の新河岸川で回漕問屋「福田屋」を営んでいた。福田屋は7代目星野仙蔵が回漕業を起こし、福岡河岸で回漕業と肥料・薪・農産物の仲買い商、船問屋として大いに繁栄し、明治の中頃に最盛期を迎えた。10代目星野仙蔵が鉄道誘致に尽力したことで家業を圧迫し、産業として廃れた。明治初めの1870年頃に建てられた福田屋の建物は、現在、ふじみ野市福岡三丁目にある、福岡河岸記念館として保存、公開されており、往時の隆盛をしのぶことができる。現在残っているのは主要な建物の母屋・台所、離れ、文庫蔵の3棟のみだが、当時は十数棟の建物が築かれていた。特に10代目星野仙蔵が1900年（明治33年）頃に完成させた「離れ」は接客、社交の場として建てられた。当時珍しい木造3階建てで、郷土史家が「丸で城郭に見えた」と記すほど豪華だった。1909年（明治42年）の屋敷図では、10代目が館長を務めた福岡名信館の剣道場もみられる。8代目や10代目星野仙蔵などに関連する古文書の「福田屋文書」が上福岡歴史民俗資料館に残されている。川越城の「家老詰所」は、1873年に福田屋の分家に移設され、1987年まで分家の母屋として使用されていたものを再度移築されたもの。子孫（星野真里の実家）は上福岡駅東口でタバコ屋を経営しており、埼玉県で一番売り上げがあるタバコ屋という。