山本为了发动新的空中攻势，决定率领参谋人员飞往所罗门群岛北部以视察当地防务和鼓励士气。驻腊包尔日海军指挥部将其视察日程以“作战特急电报”详细通知有关部队。美军破译了日军的密码电报，掌握了这次视察的行动时间。美国太平洋战区总司令尼米兹海军上将向华盛顿的最高情报官问道：日本是否还有和山本一样的或比他更强的人来接替其职?华盛顿情报机构明确回答：“没有!”尼米兹便定下了击毙山本的决心。
1943年4月18日6时5分(本条皆为东京时间)，山本司令长官和宇垣联合舰队参谋长一行9人分乘2架岸基攻击机，在6架零式战斗机的护卫下从腊包尔基地起航，直飞布干维尔岛以南的巴拉耳岛，预计7时45分抵达。山本及3名参谋人员乘第1架攻击机，宇垣及4名参谋人员乘第2架攻击机，在2000米高度飞行，战斗机在其上方300～400米处分为左、右两组(每组3架)担任护航。7时30分以后，山本一行飞至布干维尔岛南部上空。此时，从瓜达尔卡纳尔岛机场起飞的美国16架“闪电”式战斗机，正沿新乔治亚群岛海岸以低空向北飞行。约于7时40分，山本的飞机抵达布因西北上空时发现美战斗机。日战斗机前去迎战，而第1架攻击机则降低高度，加大航速，飞往布因，因受美机拦击而未如愿。接着，便企图在海岸迫降，又因中弹受伤，操纵失灵，机体着火，而于7时50分许在莫伊拉角西北约距9海里的森林中坠毁。第2架攻击机在规避攻击时，其右发动机被击破，在莫伊拉角以南约50米远的海面迫降。落水时右机翼折损，机身翻覆，机中部分人员被抛出落于海中。第1架攻击机上的山本等人全部摔死，第2架攻击机上的宇垣参谋长、联合舰队总会计师重伤，机长轻伤，其他人毙命。
山本五十六海军大将之死，给日海军官兵的士气带来巨大影响。联合舰队暂由副司令长官近藤海军中将指挥，4月25日大本营任命古贺峰一海军大将继任联合舰队司令长官。