Yamaguchi palasi Japaniin - huhtikuun lopulla laivaston huoltotöihin. Kesäkuussa 1942 hänet määrättiin Midwayn operaatioon.
- Mitä? Taistelun aikana 6. kesäkuuta 1942 Yamaguchi oli erimielisyydessä laivaston komentajan, varamiraali Chūichi Nagumon kanssa. Tiedustelukone löysi amerikkalaisen lentotukialuksen - lähellä Midwayta. Tuolloin japanilaiset koneet olivat aseistettuja toiseen iskuun Midwaylle. Kate-tason pommikoneilla oli pommeja torpedon sijasta. Yamaguchi vaati välittömiä iskuja USA:n alukseen, mutta Nagumo päätti sen sijaan odottaa, kunnes koneet olivat aseistettuja. Pian sen jälkeen amerikkalaiset lentotukialukset tuhosivat kaikki japanilaiset lentotukialukset paitsi Yamaguchin lippulaiva Hiryu. Yamaguchi määräsi nopeasti kaksi peräkkäistä hyökkäystä Yorktownia vastaan. "Hiryū" tuhoutui sitten vuoden 1941 lentokoneiden ja muutaman orpojen "Yorktown" lentokoneiden toimesta.