大西是日本航空界的優秀人才，性格和思維與山本極其相似。接到任務後，大西找來第一航空隊參謀“王牌戰鬥機飛行員”源田實中佐，協助他一起製訂基礎方案。
經過近兩個月的苦苦思索計算，1941年3月拿出第一草案：以全部航空母艦盡可能靠近珍珠港，以飛機進行多次反複轟炸，使敵人失去反擊能力；轟炸的主要目標是美國航空母艦，以及瓦胡島上的陸基飛機。這份草案融合了空軍、海軍將領的創造性思想，山本十分滿意。
隨後，山本召集第二航空艦隊有關人員進行討論。麵對爭執不休的兩派將領，山本宣布：
諸位，請你們了解，隻要我還擔任聯合艦隊司令長官這個職務，這一仗就非打不可。希望你們研究萬全之策。
會後，聯合艦隊設置四個預備研究小組，由首席參謀黑島龜人主要負責。
4月底，黑島赴東京軍令部解釋襲擊珍珠港的計劃。然而，軍令部並不同意山本的作戰方案，理由是這一作戰計劃成功的兩個前提條件，即保證大型航空母艦遠渡重洋而不被發現，以及美國太平洋艦隊一定停泊在珍珠港內，是靠不住的。在這種情況下發動戰爭，無疑具有很大的風險。而戰爭不同於賭博，不能抱有僥幸心理。
最後，軍令部隻答應海軍大學的年度圖上演習提前到9月，在圖上演習中論證黑島的作戰方案。正當日本海軍內部為夏威夷之戰爭論不休的時候，國際局勢又發生了戲劇性變化。1941年6月22日，德國撕碎條約，悍然發兵入侵蘇聯，蘇德戰爭爆發。7月2日，天皇召開禦前會議，確立了針對英美國家的南進擴張政策。7月28日，40000日軍在東南亞登陸，不久便占領了西貢和金蘭灣。日本的南下政策直接危害英國和美國的利益，英國宣布廢除《日英通商航海條約》，美國下令實行對日禁運，凍結在美國的日本資產，加拿大、新西蘭等國也相繼采取了報複措施。國際局勢的這一係列變化使日美戰爭成了必然。
1941年9月6日，天皇再次召開禦前會議，審議《帝國國策施行要領》。近衛文麿、永野修身、豐田貞次郎、及川古誌郎、鈴木貞一等相繼發言，都對外交談判不抱希望，主張以戰爭為主，外交為輔。
這時，從未在禦前會議上發過言的天皇，突然拿出一張寫有明治天皇在日俄戰爭前夕而作的一首短詩的紙條，並朗讀道：“四海本來皆兄弟，緣何世上起風波。”
他告訴大家：“我很早以前就拜讀過大帝的這首詩，我正奮力以繼承先大帝愛好和平之精神。”然後，天皇起身退出了會議。實際上，裕仁天皇以日本的“腹藝”方式表明了開戰的抉擇。
禦前會議結束不久，海軍的圖上演習也開始了。夏威夷海戰演習結果表明，日軍重創了美海軍，自己也受到很大損失。基於此，軍令部仍然對山本的計劃遲疑不決。
山本再也按捺不住了，他大發雷霆，聲稱作為聯合艦隊的司令長官，他將對計劃負全責，否則寧願辭職。消息傳到軍令部，總長永野修身大將深為感動，當即表示：既然山本長官那樣有信心，作為總長，我有責任批準他的要求，實行這一計劃。
然而，誰也不會想到，山本在給自己最好的朋友堀悌吉的信中卻是這樣說的：
我下了和我的意願完全相反的決心，沒有別的選擇，隻得沿此道路走下去。有什麼能比違背自己的意願而更難以忍受的呢？難道說這是命中注定？
隨著時間的推移，日本軍部的戰爭氣焰日益囂張。可是當戰爭販子們在一片叫嚷聲中等待近衛文麿的一聲令下時，這位優柔寡斷的首相卻退縮了。在陸相東條英機的指責和嘲笑下，10月16日近衛內閣總辭職。
1941年10月18日，素有“刺刀”之稱的屠夫東條英機內閣成立。
23日，東條內閣決定，在決定開戰的前提下，做好戰爭準備，同時繼續執行外交談判政策，利用外交途徑迷惑美國。
從襲擊珍珠港的計劃確定開始，日本海軍就著手於對珍珠港的偵察間諜活動了。
1941年3月，軍令部根據山本的要求，派遣海軍情報專家吉川猛夫潛伏珍珠港。
經過了大約八個多月艱苦的偵察，這位並沒有間諜經驗但異常機警的情報人員，對夏威夷的海軍情況已了如指掌。
11月上旬，吉川順利地把一份份極有價值的軍事情報送到日本，為聯合艦隊襲擊珍珠港提供了可靠的資料。
11月5日，山本接到了軍令部總長永野奉天皇旨意發來的“大海令第一號”命令，預定於12月上旬對美、英、荷開戰，命聯合艦隊做好一切戰鬥準備。
從5日至11日，山本根據永野的命令，連續發布第一至三號作戰密令，確定1941年12月8日向美國開戰，由南雲忠一中將擔任司令官，襲擊夏威夷珍珠港。
11月13日，山本參加了聯合艦隊作戰會議，他在一段精彩的演說之後指出：“在華盛頓舉行的與美國的談判，如果在12月8日的前一天上午11時以前達成妥協的話，我將命令作戰部隊撤回。”
11月21日，山本發布聯合艦隊第五號作戰令：機動部隊務於11月26日自單冠灣出發，竭力保持行動隱蔽，12月3日傍晚進入待機海域並加油完畢。
按照這一命令，11月26日清晨6時30分，由6艘航空母艦、3艘巡洋艦、11艘驅逐艦、3艘潛艇、2艘高速戰列艦以及7艘加油船等30多艘艦隻組成的機動艦隊，按照空襲部隊、警戒部隊、支援部隊、巡邏部隊、破壞中途島部隊和補給部隊編製，以所謂的“第一警戒航行序列”的環形隊形，悄悄地朝珍珠港撲去。
就在襲擊珍珠港部隊出發後的第七天，即12月2日，聯合艦隊司令部接到軍令部根據天皇命令發來的“大海令第十二號”命令，最後確定了攻擊日期為12月8日。
山本立即向南雲機動艦隊發出了“攀登新高山1208”的密電：開戰日期決定在12月8日零時，按計劃偷襲珍珠港。
對於日本暗中進行的如此巨大的軍事行動，大洋彼岸的美國人似有察覺。
11月22日，美國的魔術情報即海軍密碼破譯小組，已經判斷出日本將要發動戰爭的跡象。羅斯福總統甚至在給丘吉爾的電報中指出：我們必須麵對日本即將發動戰爭，而且是在不久的將來這一事實。
25日，在白宮召開的最高軍事會議上，羅斯福又提醒與會者，日本人在不宣而戰這點上本來就是臭名昭著的，所以美國可能在12月1日前後遭到攻擊。
但是，美國軍界認為，日本的矛頭肯定是印度支那地區，他們做夢也不會料到日本偷襲珍珠港的計劃已經投入實施了。
然而，美國仍然有時間做必要的準備。
就在12月8日淩晨南雲忠一下令攻擊機群從指定海域起飛的時候，美國海軍密碼破譯小組已經破譯了日本政府給美國的“最後通牒”的最後部分，電文的內容是：
鑒於美國政府所采取的態度，日美之間已無法達成協議，特此通知美國政府，並深表遺憾。
然而，如此重要的情報，由於美海軍作戰部長斯塔克怕黎明前影響太平洋艦隊司令金梅爾睡眠而被人為地耽誤了。當參謀總長馬歇爾上午11時看完破譯電文後，他確信日本很快就會發動攻擊，並決定向全軍發出緊急戒備的指令。
不幸的是，馬歇爾的電報命令並沒有通過緊急通訊係統或海軍無線電發出，而是被陸軍情報局遠東科科長布萊頓交給了陸軍部信號中心，又被擅自決定通過商業通訊係統發出。
布萊頓違背了馬歇爾“以最快最安全的辦法拍發給各級指揮官”的命令，當電報指令傳送到各級指揮官手中時，已經是珍珠港遭襲擊7個小時以後了。
美國高層的判斷失誤、軍隊中的鬆散習氣，為山本五十六大膽而又縝密的行動創造了條件，偷襲珍珠港獲得巨大成功。
美國時間12月7日下午13時19分，負責空襲的指揮官淵田命令發出了“脫，脫，脫”的攻擊信號，“脫”在日語中是“突擊”的第一個假名，音譯為英語就成了“虎”的發音。
旋即，354架日本各型飛機分兩個攻擊波次向毫無準備、沉浸在假日歡樂中的美國海軍發起猛烈襲擊。
霎時間，珍珠港內爆炸聲隆隆，火光四起。
日本僅用不到兩個小時的時間，擊毀美機188架，擊傷159架，擊沉或重創戰艦18艘。島上的機場和設施遭到巨大破壞，擊斃美國軍民2403人，在港的美太平洋艦隊主力遭到毀滅性打擊。
而日本隻損失了29架飛機，55名飛行員，6艘潛艇。當遠在日本海域停泊的“長門號”旗艦上的山本得到確切的消息時，隻是睜大雙眼，默默地點了點頭。
幾乎在南雲忠一率領的聯合機動艦隊大獲全勝的同時，由塚原二四三中將司令和大西瀧治郎參謀長率領的第十一航空艦隊，開始襲擊菲律賓的美軍基地。
在日本的南進計劃中，菲律賓具有十分重要的戰略位置。這裏不僅有豐富的物產資源，而且是通向東南亞和西南太平洋的交通樞紐。
1941年7月，為了加強防禦和對日本的製約，美國成立遠東美軍司令部，任命麥克阿瑟為遠東軍司令，在菲的美軍基地得到了空前的加強。這就更加阻礙了日本的南擴進程，因此，按照山本的計劃，必須在襲擊珍珠港的同時，摧毀菲律賓的美軍基地。
如果說珍珠港在毫無防範中遭到毀滅性打擊尚可原諒的話，菲律賓戰役就太不應該了。按照計劃，大西的近400架飛機應在12月8日淩晨攻擊美軍空軍基地。
然而，是日淩晨，日軍基地卻大霧彌漫，飛機無法起飛。直至南雲部隊襲擊開始以後，大霧仍無散去跡象。
這時，如果擁有35架空中堡壘B-17轟炸機的美軍前來襲擊，日本航空隊必將遭到毀滅性打擊。
出人意料的是，老謀深算的麥克阿瑟元帥不僅未曾作如是設想，甚至對來自華盛頓的嚴重警示也未作出應有的反應。12時45分，近400架日機幾乎未遇到任何阻攔地到達美軍機場上空。
經過近一個小時的狂轟濫炸，18架B-17轟炸機、53架P-40戰鬥機和其他30多架美軍飛機被撕成碎片。日本以極小的代價奪得菲律賓的製空權。