（包括轻型航母两艘，巡洋舰五艘，驱逐舰十三艘，运输船四艘）进攻阿留申群岛，空袭荷兰港并进一步入侵基斯卡岛和阿图岛，山本相信这次攻击足以将美国舰队——可能包括航母——从珍珠港吸引到北方。最近的研究在日语文件资料中发现，这次作战其实是山本为换取军令本部的支持而发动的与中途岛作战平行的作战行动。当第五舰队攻击阿留申群岛时，第一突击编队（包括舰队航母四艘，战列舰二艘，巡洋舰三艘，驱逐舰十二艘）将对中途岛发动空袭并摧毁后者的空中力量。上述行动完成后，第二舰队（轻型航母一艘，战列舰二艘，巡洋舰十艘，驱逐舰二十一艘，运兵船十一艘）将派出5000步兵从美国海军陆战队手中夺取中途岛环礁。
上述对中途岛的占领行动会将美国航母编队重新吸引向西方，而第一突击编队将设下埋伏将它们歼灭。此后，第一舰队（轻型航母一艘，战列舰七艘，巡洋舰三艘，驱逐舰十三艘）将与第二舰队的部分兵力会合，共同将剩余的美国海军太平洋舰队兵力聚歼。
为应对突发情况，山本设置了两项预警措施。第一项是派出海军重型水上飞机川崎二式大艇对珍珠港进行远程空中侦察，确保美军航母正在港内待命，称为“k作战”；第二项是设置潜艇防线，以便在美军航母前往中途岛时尽早向第一突击编队、第一舰队和第二舰队通报敌方的行动。但实际上，空中侦察行动因故取消，潜艇也推迟到美军航母已经出击后方才就位中途岛战役的作战计划制定过程充满妥协和匆忙（为赶在对马海峡海战纪念日暨日本海军节当日派出舰队，但在日军看来，计划本身颇为周详，组织严密，时机掌握得也很好。相对于岛**计划投入决战的四艘舰队航母，二艘轻型航母，十一艘战列舰，十六艘巡洋舰和四十六艘驱逐舰，美国海军只拿得出三艘航母、八艘巡洋舰和十五艘驱逐舰，可见兵力悬殊。交战双方只在大型航母数量，可供调动的飞机数量以及潜艇数量上才较为接近。看上去，如果不出意外的话，山本将拥有一面倒的巨大优势。
对山本来说非常不幸，确实出了很大的意外。对于指挥官来说最可怕的事莫过于敌人对自己的作战计划了如指掌，而美国海军密码破译部门恰好做到了这一点。后者早已破译了岛国海军d号密码（美军称为jn-25）。结果，美国太平洋舰队司令切斯特·威廉·尼米兹海军上将成功地破解了山本设下的两项预警措施并将美方仅有的部队配置在最适合对岛**航母实施伏击的位置上。据尼米兹上将计算，他的三艘大型航母再加上中途岛机场，勉强足够与南云指挥的第一突击编队抗衡。
在五月份接报有岛**水上飞机进行骚扰性空袭之后，尼米兹立刻派遣一艘扫雷艇前去守卫岛**计划给参加k作战的水上飞机加油的地点，导致侦察行动取消，山本无法确定美军航母是否一直在珍珠港里待命（至今未能明确山本为何派出最早的骚扰性空袭，这次袭击引起了美军的警觉）。尼米兹也提早派遣美军航母离港，赶在山本的潜艇警戒线成型以前进入伏击地点，使山本的所有预警措施归于无效。岛**按时对阿留申群岛展开了象征性的攻击，但美军航母专心设伏，没有被引诱北上。山本本以为美军航母要在数日之后才能赶来救援中途岛，没想到战役开始当天——1942年6月4日——美军便抓住岛**航母最脆弱的时机发动攻击，一举击沉了第一突击编队的全部四艘舰队航母。
鉴于航空兵力已经全灭而水面舰艇又尚未为一场舰队决战集结完毕，山本试图重新配置他那在数量上仍旧强大的舰队来埋伏美军舰艇。但是他原来的计划将水面舰艇配置得过于远离中途岛，而且美军指挥官雷蒙德·斯普鲁恩斯海军中将基于一份来自美国潜艇ubor（ss-198）的错误报告，以为岛**仍要进攻中途岛，谨慎地早早向东撤退而并未中伏。斯普鲁恩斯并不知道岛**阵列中拥有包括大和号在内的数艘战列舰，如果在中途岛进行夜战他的航母和巡洋舰将处于不利的位置。向东确实防止了这类夜战的发生。此时山本准确地判断他已没有胜算，遂宣布放弃占领中途岛的任务并全军撤退。这次失败使山本持续六个月的成功历程告一段落，岛**的扩张也到此为止。
山本的中途岛作战此后广受指责。批评意见认为山本违反了军事作战“集中兵力”的基本原则，而且作战计划过于复杂。但也有意见指出盟军也实施过复杂程度不相上下的作战而且获得成功，并将失败的原因归咎于美军破译岛**密码，在事先已对山本的计划洞若观火。但若山本没有驳回南云提出的在空袭前先进行侦察的的请求，便可以抵消美军破译密码并埋伏航母所获得的优势。
残酷的消耗战，中途岛战役的失败阻碍了岛**的推进，但岛国海军仍拥有相当实力，还有重新获得主动权的机会。他们制定了“fs作战”试图占领萨摩亚群岛和斐济以便切断澳大利亚与美国的联系，如此一来便可削弱道格拉斯·麦克阿瑟上将和他的美澳联合部队所带来的威胁。于是，山本和他的对手欧内斯特·金海军上将都将注意力转向瓜岛上的机场。
金上将向美国参谋长联席会议建议立刻对日军发动反击，避免日军重新掌握主动权。于是，1942年8月美国海军陆战队突袭瓜岛并将该处的岛**击溃
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