飛龍 (空母)
その時の佐伯湾にはハワイ作戦に参加するほとんどの24隻の艦船が集まっており、翌17日午後に山本五十六連合艦隊司令長官の視察を受けた。各艦船は機動部隊としての行動をごまかすため、11月18日午前4時、警戒隊旗艦の軽巡阿武隈(警戒隊指揮官大森仙太郎第一水雷戦隊司令官座乗)と麾下駆逐艦9隻(第18駆逐隊《不知火、陽炎、霞、霰》、第17駆逐隊《谷風、浦風、浜風、磯風》、第五航空戦隊《秋雲》)が動き出したのを皮切りに、時間をずらしてバラバラに佐伯湾を離れ、艦隊が最終集結する千島列島の択捉島単冠湾を個別に目指し、飛龍は艦隊集結予定日通り11月22日に単冠湾へ入った。
11月26日、第二航空戦隊(蒼龍、飛龍)は第一航空艦隊として、第一航空戦隊(空母:赤城、加賀)、第五航空戦隊(空母:翔鶴、瑞鶴)と共に単冠湾を出港し、南雲機動部隊の一翼として艦列を連ね、一路ハワイ真珠湾へと向かった。この時の第二航空戦隊旗艦は蒼龍だった。航海中は無線が封鎖されゴミの海洋投棄も禁止されたが、山口司令官が「決死隊」であることを強調したため、食事は毎日豪勢、奇襲前夜には全員が日の丸鉢巻をしめ、機械にはしめ縄がはられた。
12月8日、真珠湾攻撃を実施。飛龍からの参加機は以下の通り。
第一次攻撃隊第一波 九七式艦攻18機(水平爆撃隊10機=指揮官:飛行隊長楠美正少佐、雷撃隊8機=指揮官:分隊長松村平太大尉)、零戦6機=指揮官:分隊長岡嶋清熊大尉 第一次攻撃隊第二波 九九式艦爆18機=指揮官:分隊長小林道雄大尉(発動機不調で引き返し不参加)、零戦9機=指揮官:分隊長能野澄夫大尉(零戦1機、故障で引き返す)
ペコスに対しては九九艦爆9機が午後4時頃に攻撃し、8機が被弾、1機は着艦時に火災事故を起こして投棄された。エドサルに対しては九九艦爆9機が午後6時45分頃に攻撃し、こちらは1機の被弾喪失もなく撃沈している。3月5日、ジャワ島南岸の都市チラチャップ港を空襲して停泊中の船舶を撃沈した。
3月6日10時30分、南雲司令長官は残敵掃蕩を命じ、第二航空戦隊(蒼龍、飛龍)、第三戦隊第2小隊(3番艦金剛型戦艦榛名、4番艦同型金剛)、第17駆逐隊(谷風、浦風、浜風、磯風)の8隻は別働隊を編制、機動部隊本隊から分離した。第二航空戦隊(蒼龍、飛龍)の護衛に17駆第2小隊(浜風、磯風)を残し、4隻(第三戦隊第2小隊《金剛、榛名》、17駆第1小隊《谷風、浦風》)は3月7日早朝にクリスマス島に艦砲射撃を行う。約20分間の砲撃で、イギリス軍守備隊は白旗を掲げた。同日、空母部隊は索敵攻撃を実施、オランダ商船を蒼龍攻撃隊と共同して撃沈した。9日午後2時、飛龍以下8隻は南雲機動部隊主隊と合流、山口司令官から報告を受けた南雲司令長官は『クリスマス島の攻略は小兵力を以て容易に実施可能』と結論づけている。クリスマス島攻略は3月下旬〜4月上旬にかけて実施されたが、その際に第四水雷戦隊旗艦那珂が米潜水艦の雷撃で大破した。
3月11日、機動部隊はスターリング湾に戻った。基地訓練のためトラック島に向かったという回想もある。艦攻搭乗員の金沢によれば、トラック島は南方に向かう航空機の重要中継地点のため満足な訓練ができず、飛龍と共にペリリュー島へ移動したという。その後セレベス島ケンダリー基地に移動し、搭乗員の間に幽霊騒ぎが起きている。西太平洋方面に連合軍は有力な航空兵力も艦艇も配置しておらず、日本軍攻撃隊は目標の選定に迷い、爆弾の捨て場所に困ったほどである。
山口少将と加来艦長が残っていると見られたまま、午前2時10分駆逐艦巻雲の発射した魚雷2本のうち1本が命中する。生存者の中からは、戦闘能力を失った飛龍が米艦によって曳航されて、そのまま拿捕されれば一層の恥になるとして自軍艦に撃沈されたのではないかと見る声がある。第10駆逐隊は飛龍の沈没を見届けず、西方に退避した。機関科生存者の証言によれば命中から沈没まで2時間以上かかったという。戦闘詳報による沈没位置北緯31度27分5秒 東経179度23分5秒 / 北緯31.45139度 東経179.38472度 / 31.45139; 179.38472。のちに飛龍生存者は戦艦榛名や霧島に移り、日本本土へ戻っている。
数時間後、山本五十六連合艦隊司令長官(戦艦大和座乗)率いる第一艦隊の空母鳳翔から偵察に飛来した九六式艦上攻撃機が、漂流する飛龍および飛行甲板にたたずむ人影を発見し、帰艦後「飛龍に人影があり帽子を振っていた」と報告する。これをうけた軽巡長良艦上の南雲中将は、第17駆逐隊(谷風)に生存者の救出と飛龍処分を命ずるが、谷風は途中アメリカ軍機の集中攻撃を受けて現場到達へ遅延を生じ、飛龍も脱出した艇も発見することができなかった。なお、鳳翔艦攻が見た人影は、飛龍と運命を共にした山口少将と加来止男飛龍艦長だといわれていたが、生還者の証言により池田幸一三等機関兵曹、岡田伊勢吉三等整備兵の両名であることが判明している。機関部から脱出した100名以上のうち、39名(漂流中に5名死亡)は食糧と水を積み込んだカッターボートで飛龍を離れた。日本時間6月6日午前6時6-15分、飛龍は左舷に傾きつつ艦首から沈んでいった。機関科脱出者達は15日間漂流したのち、アメリカ軍哨戒機に発見される。