在
瓜岛战役失败后，山本在参谋长
宇垣缠的激励下决定前往南太平洋前线视察以便鼓舞士气。1943年4月14日，代号“魔术”的美国海军情报部门截获并破译了包含山本行程详细信息的电文，包括到达时间、离埠时间和相关地点，以及山本即将搭乘的飞机型号和护航阵容。上述电文显示山本将从
拉包尔起飞前往
所罗门群岛布干维尔岛附近的
野战机场，时间是1943年4月18日早上。
美国总统
富兰克林·罗斯福命令海军部长
弗兰克·诺克斯“干掉山本”（Get Yamamoto）。诺克斯授意
切斯特·威廉·尼米兹海军上将执行罗斯福的命令。尼米兹与南太平洋战区指挥官
威廉·哈尔西商讨后，在4月17日批准了拦截并击落山本座机的刺杀任务。
一个中队的
P-38闪电式战斗机受命执行拦截任务，因为只有这种飞机才有足够的航程。18位从三支不同部队精选出来的飞行员被告知他们即将拦截一名“重要的高级军官”，但并未得知具体姓名。
4月18日早晨，山本不顾当地陆军指挥官
今村均大将关于遭伏击风险的劝告，搭乘两架三菱一式陆攻快速运输机从拉包尔按时起飞，计划飞行315分钟。不久，18架加挂
副油箱的P-38式战斗机从瓜岛机场起飞。经过430英里无线电静默的超低空飞行，有16架到达目标空域。东京时间9点43分，双方编队遭遇，6架护航的零式战斗机立刻开始与美机缠斗。
列克斯·巴伯中尉攻击了两架一式陆攻中的第一架，事后证明是舷号T1-323的山本座机。他不断射击该敌机直到后者左引擎开始冒出黑烟。在巴伯转而进攻另一架运输机时，山本的座机坠落到丛林中。
山本座机的坠落地点位于此前澳大利亚海岸巡逻队在布因岛的据点以北，第二天有一支日军搜救小队找到了这个地点，带队的是日军工兵中尉滨砂。据滨砂中尉回忆，山本的遗体位于飞机残骸之外的一棵树下，仍旧坐在座椅之上，戴着白色手套的双手拄着他的
日本刀。滨砂说他当场就认出了山本，海军大将的头微微低下犹如陷入沉思。解剖报告显示山本身上有两处枪伤：一发子弹自身后穿透他的左肩，另一发子弹从他的下颌左后方射入，从右眼上方穿出。即便有此报告为证，关于山本是否从坠落中生还一直都有争议。
为防止日军得知自己的密码已泄露，美国新闻媒体被告知是所罗门群岛当地人的海岸观察站目击到山本登上一式陆攻。新闻媒体也没有公开大部分参与刺杀行动的美军飞行员的名字，因为其中一人的兄弟当时是日军战俘，有被虐杀的可能。
这次任务成为
二战中持续时间最长的战斗机拦截任务。在日本，山本阵亡的事件被称为“海军甲事件”。日本当局一直拖到1943年5月21日才公布山本的死讯，朝野震惊。对于被宣传机构蒙骗，以为日军自开战以来不断高歌猛进的日本民众来说，山本之死所造成的精神打击是难以估量的。日本政府也因此被迫承认美军的战争能力正在迅速恢复，甚至开始反击。日本当局追授山本大勋位、功一级、
正三位和元帅称号。6月5日，在东京
日比谷公园举行国葬。