1943年4月18日，联合舰队司令山本五十六和参谋长宇垣缠分乘两架轰炸机在六架战斗机的护航下从拉包尔出发，赴前线视察。美军太平洋战区情报部门提前掌握了他们的行踪，在征得罗斯福的同意后，出动18架P-38战斗机在布干维尔岛附近将山本的座机击落。宇垣缠乘坐的另一架飞机被击伤，机尾和机翼均被打断，飞机载进海里。机上6人有3人死亡，3人负伤，伤者就包括宇垣缠。
从某种意义上说，山本五十六是幸运的。他被猎杀时，联合舰队早已不复当年之勇。而且以日本的国力，再也不可能恢复当初的战斗力。
尽管他曾极力反对和美国开战，但他毕竟是偷袭珍珠港的始作俑者。如果他活到日本投降的那一天，即使不自杀也一定会被东京国际军事法庭判处绞刑。美国人可以放过松井四郎（731部队指挥官）、可以放过裕仁，因为他们都还有用，但绝不会放过山下奉文、本间雅晴和山本五十六。
山本的座机被击落后，驻布干维尔岛的日军接到命令，称：“我海军要人的座机坠落了，令你们马上组织搜寻队前往搜寻。找到后要立即向上汇报，说明飞机坠落地点的方位。”
岛上驻军联队派出一个小队，由浜砂盈荣少尉率领。浜砂少尉带着10个人立即组成搜寻队，携带指南针走进密林中。他后来回忆说：“我猜测这个大人物应该是某位舰队中将以上的长官。”
茂密的丛林中，生长着大片大片的芭蕉树、棕榈树。蔓草盘根错节，青藤绕树横生，还有很多不知名的热带树木。林中一片幽暗，看不见任何可供判断方位的参照物，如小山、土堤等。在这样的环境中行走非常困难，一旦迷失方向，即使想要原路返回也很困难。搜寻队在丛林中开出一条小路。前进中他们或用小刀在树上刻下记号，或把什么物件挂在树枝上，以便能由原路返回。
他们在密林中转了一天也没有找到坠落的飞机。接近黄昏的时候，他们不得不失望地返回驻地。搜索队回到联队本部汇报当天的搜寻情况时得知，海军派出的搜寻队也是徒劳无功。因此浜砂又接受了“明天继续搜寻”的命令。
4月19日上午8时，日本联合舰队参谋渡边和东南方面舰队军医长大久保信飞抵布因。他们首先看到了满脸扎着绷带的参谋长宇垣。宇垣一边流着泪，一边急促地说：“司令长官在距莫依拉角四五英里的地方。快去，快去！”
渡边和浜砂所率领的搜寻队再次进入密林。小河蜿蜒曲折，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、药品等放在小船上，溯流而上。
夜幕快要降临了，但他们还是没有发现任何线索。又是徒劳的一天。就在他们决定往回走的时候，有个人突然兴奋地说：“队长，这一带好像有一股汽油味。”这句话像是提醒了大家。于是他们都认真地嗅着周围的气味，的确是有一点微弱的汽油味。他们朝传来汽油味的方向走去，气味越来越浓了。
不多时前方出现了一个像土堤一样的东西。他们十分疑惑，这样的地方怎么会出现土堤呢？等走到跟前一看，才发现是一架摔毁的一式陆上攻击机的尾翼竖在那里，还有被摔得破烂不堪的主翼和螺旋桨。粗大的机身在印有太阳旗处稍前一点的地方折断了，从这里到驾驶舱的飞机前身部分已被烧成灰烬。后半部分机身被打得千疮百孔，四周散布着飞机部件和几具尸体，其中一具坐在飞机坐垫上，手握军刀，胸口佩戴着勋章，肩章上是3颗金质樱花的大将军衔。
他们从遗体的上衣小兜里掏出了一本笔记本，上面的署名是“山本五十六”，里面还抄有很多明治天皇和昭宪皇太后的诗歌。飞行靴依然整齐地穿在山本的脚上，只是帽子已不知飘落到什么地方去了。
山本旁边的不远处是一具穿着白色服装、呈“大”字形仰面躺着的年迈军医的尸体。他就是舰队军医长高田六郎。在隔着军医长对面的右前方不远处，还有一具尸体，衣扣已全部脱落，敞着襟怀，仰面躺在那里。他是航空参谋樋端久利雄。除上述3具尸体之外，还有几具烧得很严重的尸体，已经无法辨认。
随后赶来的军医检查了山本的尸体，确定有两颗子弹击中了他。一颗从脸部颧骨射入，又从太阳穴处穿出；另一颗从后背射入穿透左胸。这说明山本在坠机前就已经死亡。
至于他为何时候仍然保持着威严的坐姿，人们猜测飞机坠毁后，军医高田六郎还没有死，他有意维护了长官最后的仪容，然后又因伤势过重而死。
4月20日，浜砂指挥部下砍伐了一些竹子做成担架，将尸体抬回布因。当天晚上基地指挥官下令将山本的尸体停放在卡希利机场军官营房前的帐篷里，进行吊唁和守灵。但没有声明死者是谁。
山本战死的消息，当时对拉包尔的各部队是保密的，但对上级不能隐瞒真相。4月18日当天，留守在拉包尔的黑岛、渡边两位参谋和草鹿任一、小泽治三郎等人便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，但山本的生死尚不明了。
14时30分，一封电报直发东京，震动了所有海军首脑，海军省内一片惊慌，犹如发生了一场大地震。海军大臣岛田繁太郞、海军次官泽本赖雄、军令部总长永野修身、军令部次长伊藤整一和第一部长福留繁等海军首脑当晚都陆续来到部里加班。
海军部没有第一时间通知山本的家人，而是通知了他的好友崛梯吉。因为山本以前嘱咐过：“必要的时候，请把我的东西交给堀悌吉。”
4月21日，山本等人的尸体在布因火化。取完骨灰后，众人就地把坑填满并堆起了一个坟头，又在旁边栽了山本生前最喜欢的木瓜树。这天夜里，骨灰匣被放在拉包尔基地司令部前面的半地下室里，由司令部里指定的人员通宵守灵，任何人不得进入。
4月23日，山本的骨灰由专人乘水上飞机从拉包尔送往停泊在特鲁克的日本联合舰队旗舰——“武藏”号。临出发时，草鹿任一、小泽治三郎、本多伊吉等人为之送行。
死去的山本享受了日本帝国的最后一次“哀荣”。5月17日，载着山本骨灰的“武藏”号战列舰由特鲁克起航，于5月21日驶入东京湾，停泊在木更津外海。
同日下午，日军大本营正式发布了山本的死讯：“联合舰队司令长官海军大将山本五十六，本年4月于前线在与敌人作战的飞机上指挥全面作战中，不幸壮烈牺牲。”
与此同时，内阁准予按国葬规格对山本进行安葬。海军方面还请求加赐山本以“男爵”称号，但未获批准。不过追授山本大勋位、功一级、正三位和元帅称号。
5月18日，海军部将存放山本的遗物交给了崛梯吉——16张面值100日元的钞票，以及他写的几篇文章。
5月23日，停泊在木更津海面的“武藏”号上，举行了告别仪式。上午11时30分，山本的骨灰盒被移至特意前来接运的“夕云”号驱逐舰，送往横须贺。骨灰盒由渡边安次捧着。
山本的嗣子义正和堀悌吉等人，在横须贺港逸见码头恭候山本遗骨的到来。“夕云”号驱逐舰到达后，他们接过骨灰盒，来到横须贺火车站，登上了开往东京的专列。
14时43分，列车抵达东京车站，有200多人前来车站迎候。列车停在站内第4站台第4道线路上。东条英机、岛田繁太郞、永野修身等政界、军界要人列队恭候在月台上。近卫文麿也特意赶来迎候。山本的次女正子站在家属行列中。
骨灰盒被安放在山本非常熟悉的水交社侧馆中预先设置好的祭坛上。山本的葬礼仪式安排在1943年6月5日，与9年前东乡平八郎大将的葬礼仪式是同一天，这是特意安排的。葬礼在东京日比谷公园的殡仪场举行。
接任日本联合舰队司令长官遗缺的是山本的好友古贺峰一海军大将。
