山口多聞
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第一航空艦隊が帰国すると、すぐにミッドウェー作戦が命令された。ミッドウェー作戦を知った山口は太平洋のアメリカの艦隊を壊滅できると乗り気であった。しかし、準備期間が短く、搭乗員の練成など準備が間に合わないことを理由に山口は源田実中佐とともに反対したが、山本五十六以下連合艦隊司令部は聞く耳を持たなかった。さらに、4月29日に戦艦「大和」で行われた作戦研究会で山口は第一航空艦隊のような集団を空母3隻で作り、その集団4つほどで輪形陣を行い、車掛りで襲来する空母部隊の構想を提案する。提案は了とされ、生産状況から近く実現できるものであったが、ミッドウェー作戦を急いだため、後回しにされて実現しなかった。
また、山口と海兵同期の宇垣参謀長によれば、「山口第二航空戦隊司令官は常に機動部隊として活躍したるが、第一航空艦隊の思想にあきたらず、作戦実施中もしばしば意見具申を為したる事実あると共に、計画以外妙機を把握して戦果の拡大を計り、或は状況の変化に即応する事絶無なること余輩に語りし事三回に及べり。彼の言概ね至当にして余輩と考えを一にし今後も大いに意見を具申すべきを告げたり。尚艦隊司令部は誰が握り居るやの質問に対し、『（南雲忠一）長官は一言も云わぬ、（草鹿龍之介）参謀長（大石保）先任参謀等どちらがどちらか知らぬが億劫屋揃である』と答えたり」という。
4月下旬、自宅に戻ると、くつろぐ暇なく慌ただしく出立した。
6月上旬、ミッドウェー作戦に二航戦司令官（旗艦「飛龍」）として参加。
6月5日、南雲機動部隊から発進した第一攻撃隊がミッドウェー島基地攻撃中、利根4号機は「敵らしきもの十隻見ゆ」の報告を発する。利根偵察機は「敵兵力は巡洋艦五隻、駆逐艦五隻」と報告したあと、約30分後に「敵はその後方に空母らしきもの一隻を伴う」の報告を入れた。現地時間7時15分から始まったミッドウェー島基地攻撃用の陸上爆弾への艦載機の兵装転換は、7時40分の45分に一時停止させていた。利根索敵機が報告した「敵らしきもの」がアメリカ機動部隊と判明すると、山口少将は一刻を争う状況と判断して、駆逐艦野分を中継し、あらゆることを放棄し、現装備の陸用爆弾のままですぐに攻撃隊を発進させるように進言した。南雲司令部は、敵との距離（誤情報）や護衛戦闘機の不足、陸用爆弾による効果の低さ、帰還したミッドウェー基地攻撃隊の収容を優先させ、山口の進言を却下し、雷装への兵装転換を命じた。
第二航空戦隊通信参謀だった安井鈊二少佐によれば、「直チニ攻撃隊ヲ発進ノ要アリト認ム」の形で、山口自ら起案し（普通は起案は参謀に任せる）、発信するように二航戦航空参謀の橋口喬少佐に指示したという。赤城の発着指揮所で一航艦司令部の様子を伝聞していた淵田中佐も同じ文面で証言している。一航艦航空参謀だった源田中佐、一航艦信号員だった橋本廣、「日映」特派員として赤城に乗船していた牧島貞一記者は「ヲ」が抜けた文面を証言している。一方で、飛龍の掌航海長だった田村士郎兵曹長によれば、山口少将から発信の指示を田村が直接受けたとして、文面は「現装備ノママ直チニ攻撃隊ヲ発進セシムルヲ至当ト認ム」であり、南雲長官が雷装準備が完了するまで出撃を引き伸ばさないよう促していたという。
第二次攻撃隊発艦準備中、南雲機動部隊はSBDドーントレス急降下爆撃機の奇襲により、空母3隻（赤城、加賀、蒼龍）が大破、炎上する。第八戦隊旗艦「利根」（司令官阿部弘毅少将）と機動部隊全艦に対し、山口は「我レ今ヨリ航空戦ノ指揮ヲ執ル」と発光信号を発し、また「飛龍」艦内には、「赤城・加賀・蒼龍は被爆した。本艦は今より全力を挙げ敵空母攻撃に向かう」と通報した。二航戦先任参謀伊藤清六中佐の手記によれば、山口は攻撃隊搭乗員に「飛龍一艦、少數の飛行機を驅つて敵空母二隻に全艦隊の仇を報じ得たるいはれなきにあらず。體當りでやつて来い、俺も後から行くぞ」と訓示した。
山口は次席指揮官の第八戦隊司令官阿部弘毅少将の命令を待たず、航空戦を敢行。敵空母との間合いを詰めて、敵が攻撃を終えた機体を収容する時を狙い、雷撃準備を終えた部隊で攻撃した。先任の阿部をおいて山口が主導したのは、その性格と第二航空戦隊が主力と考えて重要な戦機でもあったためである。接近したのは攻撃力発揮と攻撃隊を収容をするためであった。
二次に亘る航空攻撃の結果、敵主力空母「ヨークタウン」を大破（後、潜水艦「伊一六八」により撃沈）させるも、第三次攻撃は攻撃力消耗から薄暮攻撃を予定していた。
山口は「飛龍には他の空母の艦上戦闘機もあるので上空警戒機で阻止できる」という判断をした。水上偵察機（戦艦榛名所属機）が敵機を発見し触接警戒しているので、飛龍は警戒を厳にし13機を上空に上げていた。だがSBDドーントレスの攻撃を受けて「飛龍」は飛行甲板を破壊され、発着艦不能となった。
山口は総員を飛行甲板に集合をさせる。「皆が一生懸命努力したけれども、この通り本艦もやられてしまった。力尽きて陛下の艦をここに沈めなければならなくなったことはきわめて残念である。どうかみんなで仇を討ってくれ。ここでお別れする」と告げ、一同水盃をかわし皇居を遥拝し聖寿の万歳を唱え軍艦旗と将旗を降納した。部下は退艦を懇請したが、山口は受け入れなかった。
また浅川正治（飛龍主計長）によれば、二航戦参謀、飛龍副長、飛龍各科長（幹部）は飛龍と共に沈むことを申し出たが、山口と飛龍艦長加来止男大佐は「二人だけでよい」として退去を命じた。各員と握手をかわした時の二人について、浅川は「まるで散歩の途中でさようならをいうように淡々としていた」と回想している。
この時、先任参謀伊藤清六中佐が｢何かお別れに戴くものはありませんか｣と頼むと、山口は黙って自分の被っていた戦闘帽を渡した。
「飛龍」を雷撃処分した第10駆逐隊司令・阿部俊雄大佐が連合艦隊司令部で証言した事によれば、山口は訓示のあと退艦を願う部下達の制止をふりきり「マスクを被り艦橋に昇られたるが後、再び姿を見せられず」だったという。このあと「飛龍」は第10駆逐隊の駆逐艦「巻雲」に雷撃処分されたがすぐには沈まなかった。翌朝、空母「鳳翔」偵察機が飛龍飛行甲板で帽子をふる生存者を発見、駆逐艦「谷風」が飛龍処分のために派遣されたが、既に「飛龍」は沈没していた。飛行甲板で手を振っていた人影は、「飛龍」の雷撃処分を知らなかった機関科部員で、のちに米軍によって救助された。
山口は昭和17年6月5日付で海軍中将に進級。同日付で、加来止男大佐（飛龍艦長）、岡田次作大佐（加賀艦長）、柳本柳作大佐（蒼龍艦長）も、それぞれ海軍少将に進級した。10月10日、昭和天皇は侍従の徳川義寛を勅使として差遣し、祭祀料を下賜した。翌日の10月11日、山口の葬儀が青山斎場で行われた。
山口と加来の戦死は、翌年（昭和18年）4月24日夜に放送された『提督の最期』と題する番組で日本国民に対して公表された。
「飛龍」に掲げられていた山口の少将旗は、生還した第二航空戦隊先任参謀伊藤清六中佐に託され、広島県呉市の呉市海事歴史科学館に展示されている。同じく伊藤先任参謀に託された山口の戦闘帽（第一種略帽。艦内帽であった）は、海軍兵学校の跡地である海上自衛隊第1術科学校（広島県江田島市）にある教育参考館の六号室に展示されている（2009年現在）。「大君につくすまことの一と筋は孝の道にも通ふなるらん」の和歌も残されている。墓所は東京都港区の青山墓地。1998年（平成10年）6月4日、ミッドウェー島で三男の宗敏および日米双方の軍人や自衛官が出席し、戦死者の慰霊祭がおこなわれた。