然而，山本最不可能相信的事情事实上早已发生了，这次也没有例外。
4月13日的电报发出后不久，就被美国人所截获，并报送到珍珠港的战争情报总部。那些曾为中途岛战役的获胜立过汗马功劳的人们，在地下室里干了将近一个通宵。4月14日清晨，他们已把电报译成日文明码，然后海军陆战队的外语专家们又填上电文中的一些外文空白。
8时正，太平洋舰队情报官莱顿中校迈着轻快而富有节奏的步伐来到尼米兹上将的办公室。他把破译的日军密电递给了尼米兹说道
尼米兹看了地图并仔细追踪了山本将乘飞机和军舰对巴莱尔‘肖特兰和布因兜巡一圈的路线之后，确认第一站将使这位帝国海军的头号海军将领正好处于从亨德森机场起飞的战斗机的航程之内。而且尼米兹知道山本五十六的个性，他向来遵守时间，因此他的日程安排一定分秒不差。就在这一瞬间，尼米兹突然感到，这是剪除他的诱人的机会，除了天皇之外，只有他的死才能对日本人的士气构成沉重打击。在山本策划偷袭珍珠港之后，美国人对山本的憎恨甚至比对希特勒还厉害，大部分人认为山本五十六是仅次于裕仁天皇和东条英机的第三巨头。正如后来将山本送往西天的托马斯·兰菲尔中尉所说的：“日军对珍珠港的突然袭击，激起了美国人强烈的复仇念头，矛头所向首先是那个发布第一号作战命令’攀登新高山‘的大日本帝国联合舰队司令长官山本五十六大将。’攀登新高山‘这个日本军方隐语的声音，在美国作战指挥首脑部门引起了反响，它引出了’干掉山本‘的口号。”
拦截山本的念头在尼米兹脑子里一闪而过，但他似乎还有些举棋不定。“你看怎么办？”尼米兹问莱顿，“我们要不要设法把他干掉？”
莱顿毫不含糊地回答；
“你知道，击毙山本会得到什么。在日本军界，山本是出类拔革的人物，是日本少壮派军官和士兵崇拜的对象，对于日本国民的士气，除了天皇外，大概没有谁比得上他。如果他被击落，日本帝国作战的海军将会引起混乱。您了解日本人的心理，这件事会震撼整个日本。”
尼米兹说
莱顿在列举了几位日本海军将领并对他们进行了一番评论之后回答说
“山本是日军中的头号人物，犹如鹤立鸡群。”接着他作了一个有趣的比喻说
尼米兹下决心拦截山本，他随即将这一情报电告了哈尔西，授权他起草一份行动计划
午餐会上，罗斯福总统断然决定
山本的命运就这样在餐桌上决定了，首脑们给这一行动起了一个恰如其分、耐人寻味的代号——“复仇”。
1943年4月15日，尼米兹发出了执行“复仇行动”的命令，并在电报结尾处以个人名义预祝哈尔西“交好运，马到成功”。
哈尔西把这一任务交给了所罗门群岛航空兵司令米切尔少将，指示他
米切尔少将接到命令后，马上召集负责执行这一任务的约翰·米歇尔少校和托马斯·兰菲尔中尉研究拦截方案。他们最初担心山本座机的飞行时间难以掌握，打算在其乘坐猎潜艇离开巴莱尔之后，出动飞机连舰带人一同击沉。但米歇尔少校坚决反对，理由是
经过反复研究，特别是基于这一情报的绝对准确性，以及山本大将素来以严守时间闻名的特点，最后确定用攻击机直接击落山本座机。根据上级提供的有关山本座机活动的准确情报，米切尔司令部的参谋人员精确地推算出了己方狙击机的起飞时间、飞行距离、航速和接敌区域与时间，决定于4月18日9时4O分（此处美军所用时间为当地时间，当地时间与日本时间相差2个小时）左右在卡希利（日军称布因）海湾以北50公里附近空域待机拦截。
计划挑选18架P—38“闪电”式战斗机，分两个机群从瓜岛起飞前往截击。其中12架组成掩护机队，在高空诱开并纠缠住山本的护航战斗机，指挥官是米歇尔少校；其余6架是由兰菲尔中尉任队长的狙击机队，任务是击毁山本座机。他们经过分析认为
4月18日是星期日，这天正好是一个万里无云的好天气。
按照事先的决定，山本五十六由参谋长宇垣、副官福崎升、军医长高田、航空参谋端久利雄、室井舍治、会计长北村、气象长友野和通信参谋今村薰等陪同前往。经常跟随山本左右的渡边、黑岛因病未能一同前往。
山本还是那样有规律，早晨5点就起床，5点半进早餐，然后换上军装。山本不论是在特鲁克还是来到腊包尔，一直都是穿着白色军服。一名参谋认为白色太显眼，提议改换战时的草绿色军服，山本答应了。由于当天即可返回，山本只带了眼镜和香烟。
当山本一行来到机场时，705航空队所属的两架“一”式陆基轰炸机已经发动引擎。山本仰望天空说
山本五十六—一和送行的人员打过招呼后便登上了一号机，宇垣参谋长坐上了二号机。按照预定时间，两架陆基轰炸机于6时整准时起飞，离开了腊包尔机场。紧接着，204航空队所属的6架零式战斗机，也远远抛开卷起的尘埃腾空而起。然后以三三编队的队形分成两队，分别在山本座机的左右两侧护卫飞行。1小时30分钟后，布干维尔岛就在左侧出现，机队开始降低高度，岛上茂密的热带丛林清晰可见。布因基地和巴莱尔岛已经不远了。在二号机上，机械师穿村村调，递给宇垣一张纸条，“7点45分到达巴莱尔。”还有15分钟飞机即可降落。
此时，在南面从瓜岛亨德森机场起飞的16架编队严密的P一38“闪电”式战斗机（狙击队的2架飞机因故障未能起飞成功），正从南面朝布干维尔飞来。机上的驾驶员耳边好像还回荡着上机前米切尔少将那道严厉无比的命令
机群指挥官米歇尔少校看了看表
米歇尔看到了在山前飞行的敌机。他飞快地数着
米歇尔转向东飞，与敌机航向平行，并开始爬高。“全体注意，扔掉副油箱！”说完，米歇尔猛地打开油门，率机群爬上6000米的高空以引诱日本护航的战斗机，下面只留下了兰菲尔的狙击分队。日本的护航战斗机果真上当了，他们甩开山本的座机向美机扑去。在距山本座机约500米的右下方担当截击任务的兰菲尔中尉的狙击分队迅速拉起，4架P—38“闪电”式战斗机风驰电掣般地升入山本座机的航线。
正在这时，上当的“零”式护航机发现了悄悄拉起的美战斗机，大吃一惊，急忙全速俯冲下来，企图掩护山本的座机，可惜已经晚了，来不及了！兰菲尔已抢先一步，扭转机身对准山本座机的前进方向一阵猛扫，就在两架飞机即将错开的瞬间，兰菲尔打掉了山本座机的右翼。“一”式陆上攻击机一旦起火，就无法挽救，而且这样低的高度，降落伞也无济于事。
与此同时，宇垣参谋长的座机也遭到阻截，飞机急忙下降高度，并来了一个90度的急转弯。宇垣向前看去，在距二号机4公里处的右前方，一号机正在冒着黑烟，吐着火舌减速低飞。他对站在飞机过道上的航空参谋室并失声叫道；
“保护长官机！”
接着他又向驾驶员大声喊道
一架美机扑来，驾驶员本能地来了一个急转弯，一号机从他们的视线中消失了。当飞机再次恢复水平飞行时，一号机已不在空中了。忧心忡忡的宇垣只看到密林中一股黑烟冲天而起。唉，万事休矣！
山本座机坠毁的一刹那，兰菲尔看得十分清楚，他说
与此同时，兰菲尔的僚机不顾俯冲下来的日本“零”式机的扫射，不失时机地向宇垣的座机射出一排密集的子弹。坐在机内的宇垣无奈地看着P—38机头的机枪吐着火舌，他感到自己的座机在颤抖。P—38的飞行员是个出色的炮手，第一次射击就击中了轰炸机的右部，接着又打中了左部。整个飞机像敲鼓一样被炮弹打得咚咚响个不停，并开始剧烈摇晃起来。
另一发炮弹突然间撕开了轰炸机的右翼。坐在宇垣前面的机长猛推驾驶杆，企图在海上紧急迫降。这是他此时求生的唯一办法。在轰炸机栽进水里之前的一刹那，驾驶员用力拉驾驶杆，想把飞机再拉起来，但是已经来不及了。轰炸机全速砸在海面上，飞机向左翻沉。
飞机坠落的地点是布于维尔岛西南端莫伊拉角稍北处。宇垣没有死，他和北村会计长、驾驶员林浩侥幸活了下来。
这场战斗仅仅历时3分钟，到9点38分，周围又恢复了原来的寂静。
米切尔海军少将向哈尔西报告
感到满意的哈尔西立即回电
“祝贺你们成功！在猎获的家鸭中，似乎夹着一只孔雀。”
第二天上午，哈尔西在军官例会上宣读了这一胜利的电报。海军少将特纳欣喜万分拍手叫好。“得啦，凯利，”哈尔西说，“这有什么好的？我原想把那个坏蛋用铁链牵到宾夕法尼亚大街上示众，让你们踢他，那才好呢！”
而此时在日本方面，却是如丧考妣，各等要人大惊失色。
18日当天，留守在腊包尔的黑岛、渡边两位参谋和草鹿任一、小泽治三郎等，即从来自布因的电报和返回的护航战斗机的报告中得知了山本遇难的消息，但对山本的生死尚不明了。下午2时30分，一封电报直发东京，震动了全部日本海军首脑，海军省内一片惊慌，犹如发生了一场大地震。岛田海相、泽本海军次官、永野军令部总长、伊藤军令部次长和福留繁第一部长等海军首脑，当晚都陆续来到部里加班。
在腊包尔，19日上午8时许，渡边和东南方面舰队军医长大久保信乘陆基轰炸机飞抵布因。他们首先看到了满脸扎着绷带的宇垣参谋长。只见宇垣参谋长一边流着泪，一边急促地说道
小河婉蜒曲折，伸向布干维尔岛海岸的密林深处。他们将预先准备好的粮食、衣物、药品等用品放在了小船上，溯流而上。河水越往上游越浅，有些地方还有倒入河中的枯树挡住去路。行至途中，他们不得不弃船上岸，分成两队，沿小河两岸步行，向深山密林搜索而去。
当时，布干维尔岛上驻有日陆军第17军的各种部队，事件发生之后，许多搜索队纷纷出动，其中有驻布因的佐世保第6特别陆战队古川少尉指挥下的9人搜索队；有滨砂盈荣少尉指挥的一支搜索队以及从布因出发的海军搜索队；还有一支是陆军大尉安部茂的搜索队。
滨砂所领导的第1小队在18日曾亲眼看到了几架美国P—38战斗机同日本海军的“零”式战斗机在空中的激烈交战。他们还站起来为海军的战斗机加油
几小时后，一道紧急命令传来
滨砂接到命令后，立即组织了一支10人的搜索小队进山。他们艰难地穿过茂密的森林，跨过流淌的小河，在密林中转来转去，但一无所获。在接近黄昏的时候，他们不得不失望地返回部队。这一天海军搜索队也徒劳往返。滨砂接到命令明天继续搜寻。
19日一早，滨砂所率领的搜索队不得不再度进入密林。重尝头一天的苦头。又是一天快要过去了，但仍没有发现任何线索。在他们扫兴地决定往回走的时候，队里的一个人突然兴奋地说
他们疑惑着
山本看上去是那样地安然、端详，似乎很难让人理解。这成为后来有关山本之死的各种各样的传说和想象的根据。有的说，山本的遗容像活着的人一样；有的说，飞机坠地后，山本根本没有死，他是走出机体后自刎的；还有的说，当人们向他走去时，他还猛然睁开眼睛看了看周围的一切才安然死去的。
事实上根据分析判断，飞机坠毁后，只有高田一人有意识，他唯恐山本的遗骸烧焦，才把他从机舱里拖了出来，并让他手握军刀，保持威严的姿态。不久，高田自己也断气了。
根据第一基地海军少佐军医田渊义三郎于4月20日写的尸检记录，山本的伤势如下
4月21日，山本等11具尸体在布因岛火化。22日，渡边和宇垣参谋长护送骨灰回腊包尔。23日，山本的骨灰由专人乘水上飞机从腊包尔送往停泊在特鲁克岛的联合舰队的旗舰“武藏”号。联合舰队的山本时代结束了。
死去的山本享受了帝国的最后一次殊荣。5月17日，载着山本骨灰的战列舰“武藏”号由特鲁克起航，21日驶入东京湾，停泊在木更津外海。同日下午，大本营正式发表山本的死讯
“联合舰队司令长官海军大将山本五十六，本年4月于前线在同敌人作战的飞机上指挥全面作战中，不幸壮烈牺牲。遵圣上亲命，接替他职务的是海军大将古贺峰一，已前往联合舰队就任。”
与此同时，官方发表公告，追授山本大勋位、功一级、正三位和元帅称号，并准予按国葬规格进行安葬。海军方面还请求加赐山本以“男爵”称号，但未得批准。
山本五十六的国葬仪式在1943年6月5日举行，这一天也是另一位海军英雄东乡元帅的葬礼纪念日。在东京有百万市民排列在街道两旁观看送葬队伍。渡边中佐手捧山本的指挥刀，三和义勇捧着大勋位勋章，走在拒载骨灰盒的炮车后面。山本的骨灰一分为二，一部分葬在小金井多磨墓地东乡平八郎墓的旁边。另一部分由山本的姐姐高桥嘉寿子和其亲友带回家乡安葬在长冈长兴寺。
人们在“武藏”号长官室的抽屉里发现了山本的一封遗书，上面写道
“征战以来，几万忠勇无双之将士用命奋战已成护国之神。呜呼！吾有何面目晋见皇上，又将何言以告已逝战友之父兄。身非铁石，但欲表坚心一贯，可深入敌阵，以示日本男儿之血气。暂且等待吧，成仁的年青人！你们战死留名的一战打得轰轰烈烈，不久吾将随你们而去。
昭和17年9月末述怀 山本五十六志“
山本五十六实现了他的遗愿。据此曾有相当一部分人认为，山本是自愿去送死的，在他认为局势已无可挽回以后，便有意以身成仁，实现日本武士道战死疆场的最高准则。无论山本是如何死的，有一点可以确认无误的是，随着他魂飘南太平洋，日本帝国寿终�