1943年4月,美軍情報人員再次破譯了日軍的密碼,獲悉山本將於4月18日乘中型轟炸機,由6架零式戰鬥機護航,到前線視察的消息。羅斯福總統親自做出決定:“截擊山本”。美軍派出戰鬥機空中伏擊,於布幹維爾島上空擊落了山本五十六的座機。幾天後,日軍找到了座機殘骸。山本五十六的屍體依然被皮帶縛在座椅上,他頭部中彈,仍握著佩刀。此事件被日本軍方稱為“海軍甲事件”。山本五十六是歷任聯合艦隊司令長官中唯壹的戰死者。
日本方面將山本五十六的死訊封鎖了34天。5月21日東京電臺才公布“山本壯烈犧牲”的消息。日本當局追授山本大勛位、功壹級、正三位和元帥稱號。6月5日,在東京日比谷公園舉行國葬。
山本五十六作為舊日本帝國海軍軍人直到今日仍被稱為傑出的名將,作為敵對國的美國方面對山本也是褒揚有加。另壹方面,山本也曾無視軍令部的作戰計劃,獨斷專行。在偷襲珍珠港和中途島海戰等戰役中,表現出很強的投機賭博心理。對於麾下的各艦隊司令官也不能進行適當的人事調整,流於人情而賞罰不明。也有人批評其缺乏實戰經驗,不能隨機應變。不過總體來看,世間對其的評價仍屬較高。