Yamaguchi sneri aftur til Japans í lok apríl vegna viðhalds á flotnum sínum. Í júní 1942 var hann sendur til
Midway-aðgerðin. Á meðan á bardaga stóð, þann 6. júní 1942, var Yamaguchi ósammála flotastjóranum, Chūichi Nagumo varaadmiráli. Eftirlitsflugvél uppgötvaði bandarískt flugvélaskip () nálægt Midway. Á ūessari stundu voru japönsku flugvélarnar vopnađar til ađ ráđast á Midway í annað sinn, međ "Kate" stigs sprengjuflugvélum sem báru sprengjur í stađ torpeda. Yamaguchi kallaði eftir tafarlausri árás á bandaríska skipið, með flugvélarnar vopnaðar eins og þær voru, en Nagumo ákvað í staðinn að bíða þar til flugvélarnar höfðu verið endurvopnaðar. Skömmu síðar eyðilögðu bandarísk flugvélar öll japönsku flugskipin nema flaggskipið "Hiryū" frá Yamaguchi. Yamaguchi skipaði fljótt tveimur árásum á Yorktown sem létu hana lamast. "Hiryū" var síðan eytt af flugvélum frá, auk nokkurra munaðslausra "Yorktown" flugvéla.