经过一个半小时的紧张飞行，由日本战斗机群严密护航的山本座机，以2，000米高度飞抵布干维尔岛西海岸。飞行员看到岛上碧绿茂密、一望无涯的热带丛林，不禁暗松一口气，挥笔写下一张纸条，递给山本大将。那纸条上简写道：“可望于7时45分飞抵布因机场。”
正在这时，一架担任护航任务的日本“零”式战斗机突然偏离航线，脱离机群，加速前飞，机上飞行员摆动机翼，抬手指向侧方。山本座机的飞行员意识到情况不妙，朝右侧后望去，不禁大惊失色，右侧后5，000米高的空中，8架美制P-38L型闪电式战斗机，正向日本机群猛扑过来。
随即，6架“零”式战斗机急速爬升，与美军掩护组的机群缠斗起来。而美军攻击组的机群则朝两架轰炸机猛扑过去，两架轰炸机见势不妙，急剧下滑，企图以超低空摆脱攻击，美军的攻击组哪肯放过，紧盯不放。这时高空的“零”式战斗机才意识到上了当，有3架“零”式不顾一切俯冲下来，但为时已晚，山本座机已经被击中，燃起大火，转眼之间化为一团火球坠入布干维尔岛茂密的丛林。
宇垣透过机舱的舷窗看到了可怕的一幕：黄中透白的火焰笼罩了山本座机的机翼和机身，飞机拖着浓烟向下坠落，宇垣如同坠人无底深渊，什么话也讲不出，只是拉着航空参谋室井，手颤抖着指向那架飞机。此时美机的炮弹也从宇垣座机旁掠过，他们显然也已被美机盯上了，飞行员驾机拼命地曲折飞行，以躲避攻击。当飞机急转之后，宇垣就只看见冲天的黑烟从丛林中升腾而起！面对突如其来的情景，宇垣呆若木鸡，这时又一架P-38冲了过来，第一次射击就准确地击中了飞机，“一”式轰炸机在美机的猛烈射击下痛苦地颤抖着，机尾和机翼全被打断，机舱里，室井和几名机组人员浑身是血地倒在地上，飞行员竭尽全力驾驶飞机向海面飞去，企图在海上迫降，但终于控制不住，飞机一头栽进海里，除了重伤的宇垣、北村和飞行员三人获救，其余机上人员全部毙命。 短短三分钟，两架“一”式轰炸机全被击落，卡希利机场上尘土飞扬，显然日军飞机正在起飞，美机不敢恋战，随即返航。
4月18日中午，拉包尔驻地获悉山本座机遇袭的消息，但山本五十六是否还活着尚不清楚。下午2时30分，拉包尔方面向海军大臣和军令部总长发出一份电报：
乘有联合舰队司令部人员的两架陆基攻击机及担任护航的六架战斗机，于今日07：40在QBV附近上空与敌十余架战斗机遭遇，发生空战，其中一号陆基攻击机（内有司令长官“A”、军医长“C”、参谋“E”副官“F”）着火，在QBV以西一海里处以小角度坠入丛林；二号陆基攻击机（内有参谋长“B”、会计长“D”、气象长“G”、通信参谋“H”等）在莫伊卡以南海面追降。根据目前情况判明：“B”、会计长“D”获救（均负伤）。现正在组织对其他遇难人员的搜索救援。
这封电报被译出送到海军省时，已是下班以后了。大臣官邸里空空荡荡，没有几个人。军务局的浅田昌彦中佐面带异常紧张的神色，匆匆忙忙地走进办公室，把这份机密电报交给了值班的首席副官柳泽藏之助大佐。电报给海军省带来了一种紧张气氛。据说，岛田海相、泽本海军次官、永野军令部总长、伊藤军令部次长和福留第一部长等海军首脑，当晚都陆续来到省内加班，直到深夜。
在拉包尔，发出向东京汇报的电文之后，作战参谋渡边安次想立即乘机赶往山本遇难的现场。但由于飞机准备耽搁了时间，加之天气不好，最后不得不延迟到第二天出发。
渡边和东南方面舰队军医长大久保信大佐，一起乘陆基轰炸机于19日上午8点多钟飞抵布因。字垣和林浩都被救到这里。他们走下飞机后，直接来到椰子林中的军官宿舍。
当宇垣见到渡边的时候流下了热泪。他非常担心地断断续续地对渡边说：
“长官，在距卡——莫——角——四、五英里的地方。快——去——快——去——快！”
正在高烧中的宇垣一时说了错话，把“莫依拉角”说成是“卡莫角”了。
渡边参谋乘“九四”式水上侦察机飞往山本遇难现场一带上空。一号机坠落的地方，必然因起火燃烧而在密林中留下明显的痕迹。因此，他认为在空中应该是比较容易辨认的。
他拿出并打开事先已准备好的数个橡皮球，将写有“渡边参谋来接，请向空中挥动手帕”字样的多张纸条，分别放在每个球里，然后将球合上，放入长形网袋里。就这样做好了空中和地面联络常用的“报告球”。接着，他从飞机上将这些球分别投放到五六处他认为像现场的地方。
地面上依然很平静，没有任何反应。于是他又命令飞机降低飞行高度，尽可能接近密林飞行，以便对地面进行观察。
虽经反复搜寻，但毫无结果，渡边也很感失望。于是他命飞机飞回海上，降落在等候在那里多时的扫雷艇附近。他们研究了新的搜寻计划，决定从扫雷艇上派出60名士兵，组成搜寻队，从小河河口上陆。等他们在河口上陆时，已经是这天下午很晚的时候了。
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、药品等一应用品放在了小船上，便溯流而上。河水越往上游越浅，有些地方还有倒入河中的枯树挡住去路。行至途中，他们不得不弃船上岸，分成两队沿小河两岸步行前进。有的河段上，两岸陡峭，难过行人，他们就涉水越过。
渡边搜寻队离开小河之后，向东约走出几公里，突然见到一块敞亮的地方。这时，他们才发现走错了方向。已经是深夜了，一路上行走艰难，加之蚊虫的不断叮咬，到这时他们已经精疲力尽了。于是便席地而卧，和衣睡下了。
另一支陆上搜寻队是从布因出发的。他们18日上午11时左右就出发了，经过连续两天的搜寻，并没有发现山本的座机。
最后，山本的尸体还是被一个陆军搜寻队发现了。
陆军第17军司令部及其所属的部队驻扎在布干维尔岛上。其中有一支“明9019”部队，此即京师步兵第23联队。该联队的炮兵中队（连）第一小队（排）队长浜砂盈荣，就是发现山本座机的陆军搜寻队的队长。
他所带领的部队驻在布因以西约30公里一个叫“阿库”的土族部落一带地区，正在修筑从这里通往特罗基纳角的一条军用公路。因为18日这天是星期天，浜砂的第一小队并未施工。早晨，他们正坐在营区保养武器。快到8点的时候，突然数架战斗机从他们的头上呼啸而过，爆炸声和机枪声响成一片。惊慌中，他们站起身来向空中一看，原来是数架美国P～38战斗机和日本海军的“零”式战斗机正在低空中追来逐去，进行着一场激烈的空战。见势，他们为日海军战斗机加油：“打！狠狠地打！”这时，只见远处山上的密林中升起一．股黑烟，他们以为是被击落的美国飞机。
几个小时后，他们接到了口头命令：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。
他当即从小队挑选了一名军官——久木军曹和9名士兵组成搜寻队，自己亲自担任队长，带上指南针，向密林深处进发了。他们徒劳了整整二天，就在扫兴而归的时候，队里的一个人突然兴奋地说：
“队长，这一带好像有一股汽油味儿。”
这一句话，像是提醒了大家。于是，他们循着汽油味在不远的前方发现了一个像土堤一样的东西。走到跟前一看，原来是一架摔毁的“一”式陆基轰炸机的尾翼在竖着，还有被摔得破烂不堪的主翼和螺旋桨。粗大的机体在印有太阳旗处稍前一点的地方折断了，从这里到驾驶席的飞机前身部分，已经烧成灰烬。在机体的周围，散落着数具尸体，有一个人坐在那里。他身上穿着草绿色军服，胸前佩带着绶带，手上戴着白色手套，左手紧握军刀，右手搭在上面，像是在轻轻地抚摩着，腰间系着机内坐席上的安全带，像是悠闲地坐在林中养神一样，只是头部略向前低垂着，看上去像是一位将军。他们走近前去一看，原来已经死去。被甩出机外的数具遗体中，依然保持着原来在机内坐席上姿势的，只有这位将军一人。
这位将军左手上的白手套的食指和中指，是用细线精细地缝合在一起的。他的肩上依然佩戴着象征军阶的肩章，上面嵌有三颗金质樱花。他显然是一位大将，是左手只有三个指头的海军大将。
看到这一情景，浜砂突然想起了他过去曾在报纸上读到过的一篇报道。这篇报道中说：联合舰队司令长官山本五十六大将，早在日俄战争的时候，曾在一次作战中负伤，失去了两个手指头。他获得了第一号伤残军人徽章。想到这里，浜砂很自然地意识到，这位海军的要人就是山本。
他们从山本遗体的上衣小兜里掏出一本装潢很漂亮的笔记本来一看，上面的署名果然是“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，只是帽子不知飘落到什么地方去了。他微闭双眼，留着花白平头。
浜砂搜寻队简单地安置了山本等人的遗体，收拾了一下现场后，天已经快黑了。他们并不打算在这里过夜，决定立即返回。飞机的残骸、山本等人的遗体和大部分遗物，只得留到第二天来处理。他们打算穿密林取原路返回阿库，刚走出密林，突然发现有一小股精疲力尽的海军在那里休息。他们推断：这很可能是布因基地的佐世保第6特射陆战队派出来的海军搜寻队。
海军搜寻队队长为从他们这里得知山本座机的下落而深感高兴。他要求浜砂的队员们不要返回阿库，就地露宿，第二天一早带他们到山本遇难的现场。就这样；两个搜寻队在这里胡乱凑合了一夜。第二天，即4月20日清晨，浜砂及其队员们带着海军搜寻队第二次进入密林。
几乎就在同一时刻，渡边参谋一行在密林的上空发现了联络人员在向他们示意：“山本的座机已经找到，遗体收容完毕。”
全部遗体被收容了起来，而摔毁的飞机被遗弃在现场。这架323号“一”式陆基轰炸机的残骸，直到今天依然还躺在布干维尔岛的密林中。飞机上的编号已经模糊不清，螺旋桨上长满了青苔，唯有上面红色太阳旗的印记还赫然存在。残缺不全的机体被热带树木遮盖着，山本座机残骸已经成为布干维尔岛的一处著名旅游胜地。
20日下午4点，特意前来接迎的第15号扫雷艇的前甲板上搭起了临时帐篷，11具遗体被并排停放在里面。在经莫依拉角返回布因的途中，渡边和大久保军医大佐走进帐篷进行了验尸。
他们发现山本的下颌和太阳穴有子弹穿过的痕迹。
山本手表的指针停在7点45分上。很明显，山本是在飞机坠入密林之前在机内中弹身亡的。
在布因，第一基地部队的军医长田渊少佐，又一次检验了山本的遗体，并正式写出了遗体检验报告：
遗体检验报告：
一、姓名：山本五十六
二、出生年月日
三、军阶：海军大将
四、死亡原因：（战死、伤死、病死、自杀、中毒等）战死
五、伤、病名：一颗机枪子弹入左下颌出右眼处眼角；另一颗机怆子弹进入背部，留在体内。
六、发病年月日：1 9 4 3年 4月1 8日
七、死亡年月日时：1943年4月18日上午7时40分
八、死亡地点：所罗门群岛
以上属实，特此证明
海军少佐军医田渊义三郎（印）
1943年4月20日
山本归魂
4月20日，海军省正式收到确认山本遇难身亡的电报。海军省对这一不幸的消息是保密的，只有包括古贺峰一和堀悌吉在内的少数人知道。当时，连山本的家属也没有通知。
4月21日，山本的尸体在一个农场进行了火化。其骨灰匣被放在了拉包尔基地司令部前面的地下室里，由司令部派人通夜守灵，严禁他人入内。在地下室里，昏黄的电灯光下点着两支蜡烛，两个汽水瓶子里插着当地的鲜花摆在灵前。
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地特鲁克的联合舰队的旗舰“武藏”舰上。
日军将山本之死列为“甲级事件”，并开始进行调查，日军也曾怀疑过密码被破译，就故意拍发草鹿任一中将前往前线视察的电文，作为试探，但美军识破了日军的伎俩，在电文提及的时间和航线上，没有出现一架美机。因此日军认为密码绝对可靠，山本之死纯属偶然。就这样，日本海军损失了最优秀的战略家和海军舰队统帅，却依然没有发现密码被破译！
5月17日上午10时，“武藏”舰载着山本和其他遇难人员的骨灰及遗物等离开了特鲁克岛锚泊地。5月21日到达东京湾，停泊在木更津港港外海面上。
山本的骨灰盒旁还祭祀有一个将棋棋盘。
