1927年，山本五十六读到了美国人米切尔将军所著的《航空国防》一书，该书具体地介绍了航空部队在美国的发展，以及航空力量在海战中将占据主导地位的思想，已经开始在美国海军中引起足够重视的事实。该书的问世在美国的军事评论界引起了极大的反响，同时也触动了山本五十六的神经，他深切地感到，发展日本海军航空兵已经是一件非常紧迫的事情，如果日本海军还不能意识到其重要性，那么，日本与美国在未来战争中的实力差距将进一步被拉大。
此时，山本的“航空制胜”思想已经发展到了“航空第一”的高度。每当他想起日本国内对航空的漠然，便感到非常的孤独与痛苦。有一次，山本五十六在翻阅米切尔的《航空国防））一书时感到非常的郁闷，随即把三和义勇叫到了自己的办公室，同他聊起了有关发展日本海军航空兵的事情。
在谈到日本国内对发展航空的态度时，山本五十六情绪非常激动，他忍不住把手中那本《航空国防》“啪”地一声甩到桌上：“真不知这帮家伙在想些什么，难道非要在战争中吃了人家的亏才会觉醒吗？如果再采取观望的态度，我们在航空领域将被美国人远远地抛在后面。”
但是，以山本当时的地位，他根本无法在海军当中推行发展海军航空兵的计划。山本自己也深知这一点。于是，他无奈地叹了口气：“唉，一想起这种现状，我恨不能现在就回到日本！”
1928年3月，山本五十六结束了在美国的海军武官生涯，回到日本，他先是出任巡洋舰“五十铃”号舰长，紧接着又调任“赤城”号航空母舰舰长。
山本五十六由此终于得以按照自己的计划，开始精心打造日本海军航空兵。
放眼欧美
1929年7月，山本五十六在探视皇后的父亲久迩宫时得知，他将作为日本代表团的随员参加伦敦海军裁军会议。这一消息，让山本陷入了沉思。
海军裁军问题在日本是一个很复杂的政治问题。许多日本人都不赞成1922年华盛顿会议所确定的造舰比例。然而，作为一名敏于思考的军官，山本却清楚地知道，正是这个比例把日本建造主力舰的经费省了下来，使日本在1922年以后，能够进行秘密的海军发展计划，建造了4艘最新式的航空母舰。山本认为，未来的海战将有赖于这种军舰，而非各国正趋之若鹜地建造的大型战列舰。此外，日本还正在建造速度和武器装备都胜过西方国家的驱逐舰、袖珍战列舰，潜艇部队之大已居世界第三位，超出美国9，000吨以上。
山本在海军航空兵建设方面的经验，使他意识到，日本应避免同经济实力雄厚的美国在建造战列舰方面进行耗资巨大的竞争，而应该继续发展非正统的武器，特别是飞机，它可以保证日本必要时打一场进攻性的战争。但是作为一名大佐，山本不能自由地选择，无权制定谈判的政策。
1929年11月，日本赴伦敦参加会议的全权代表团正式成立，前首相若概礼次郎、海相财部彪大将、驻英大使松平恒雄等4人为全权代表，代表团成员有顾问安保清种，首席随员左近司政三中将，海军随员有山本五十六大佐（出发后晋升为少将）、丰田贞次郎大佐、中山龟三郎大佐、岩村清一大佐、山口多闻中佐，陆军随员有前田利为大佐、木本兵太郎中佐，内阁外省派出了齐藤博、贺屋兴宣等人。
11月30日，代表团从横滨启程，取道美国前往英国。山本在华盛顿住了3周，企图利用他的活动能力，在会前同美国达成一个非正式的协定。代表团成员在白宫受到了胡佛总统的宴请，山本在虚伪地为两国友谊干杯的同时，出色地完成他此行的第一项任务。摸清了美国的底牌。他通过胡佛总统的海军副官、他的老相识艾伦·市坎南上校，同华盛顿的上层人物打交道。凭他的魅力、“诚恳”和几小时的桥牌，就从美国人那里获知，日本将获得一个接近它所要求的比例。怀着这样一种满意的心情，日本代表团乘船渡过大西洋，来到了英国。
到达伦敦后，日本代表团下榻于当地的旅馆，并在日本大使馆的对面租了一栋房子作为办事处。一切就绪，英国亦按例展开了会前的摸底工作，他们派出的对日交涉委员是英国外交官中有名的日本通克莱棋，后来他担任过驻日大使。
“克莱棋的父亲以前是英国远东舰队的舰长，因此他自幼就随父亲来到东方，对于日本的文化、环境自然是了如指掌。”习惯于洞察别人而又有准确判断力的山本，再次显示了他在代表团中的存在，一眼就看出英国的意图。他继续说道：“这次英国竟然派他担任交涉委员，分明是在表示英国反对我们所提出的保留7成军力的要求。”山本五十六根据所掌握的情况分析了英国的企图，虽然话语不多，但句句打动代表团成员。作为一名海军普通军官，对国际事务有如此透彻的理解，使他们大感惊奇。
1930年1月21日，伦敦海军会议正式开幕。日本代表团提出事先经内阁批准的三大原则：（1）日本水面辅助舰总吨数为美国的7成；（2）大型巡洋舰为美国的7成；（3）潜水艇保持现有的7．8万吨。日本的提案遭到英美的强烈反对，美国坚持非主力舰的吨位比例应按照主力舰的比例，并提出废除潜水艇的建议。于是又出现了10年前在华盛顿召开会议时的6：10与7：10之争。这一次由于日本事先摸清了情况，因而拒不让步，双方争执不下，会议几度濒于破裂。英国虽然表面上居于调停地位，但由于麦克唐纳事先已与胡佛达成协议，美英的意见基本上是一致的。
这种复杂的情况使会议进行得十分困难。山本五十六在这期间寄给海军省军务局长堀悌吉少将的信中提到：“这次会议真如同老牛拖车，未来的结果实令人担忧。”
为了不使会议破裂，日美经过一系列幕后交易，于3月达成一个妥协方案。这一方案在海军舰艇总的比例上接受了日本方案，准许日本辅助舰的总吨数为美国的69．75％，但大型巡洋舰的比例仍维持6：10，潜艇的比例与美国相等。山本作为海军随员对此提出异议，要求征得国内同意。在山本的坚持下，日本的4名全权代表经协商后，于3月14日将上述方案向政府请示。
日本当局接到请示电文后，海军部门的意见分裂为二：海军省认为采取妥协态度是迫不得已，但军令部却表示反对，理由是该案对日本的两大重点即大型巡洋舰和潜水艇极力加以限制，要对美作战，日本的潜艇绝对需要达到7．8万吨，5．27万吨是无法进行对美防御作战的。当时的首相滨日雄幸经过仔细考虑后，同意海军省的看法，并于4月1日复电通知日本代表。4月2日，日本全权代表若槻与英美代表交换了备忘录，4月22日签署了《限制和裁减海军军备的国际条约》。根据这个条约，日本基本上达到了7：10的目的。
然而，日本国内****势力却并不到此为止。他们攻击日本政府对英美实行投降外交，在国内发起了一场攻击政府的运动，指责政府不顾军令部的反对，侵犯天皇对军队的统帅权（明治宪法第十一条规定，日本陆、海军的统帅权归天皇所独有）。5月20日，军令部参谋草刈英治少佐企图暗杀海军大臣财部未成，为唤起国内右翼注意而剖腹自杀。6月20日，军令部部长加藤宽治向天皇提出辞呈，一时国内闹得纷纷攘攘。虽然最后条约签字生效，但滨口雄幸首相于当年11月14日在东京车站被杀，这预示了***逆流在日本的崛起。目睹这一变局的山本五十六，回国后深受刺激，遂在家闭门谢客，重新考虑日本的出路。于是外界谣传山本五十六将要辞职。
日俄战争时期，日军建造的巨舰。好友堀悌吉明白这是谣言，遂到山本家去拜访。彼此寒暄之后，堀悌吉言归正传：“因为你未向海军报到，大家都谣传你将引咎辞职。”
“怎能就这样辞职呢？回国后我一直在思索如何来弥补此次会议的缺憾。国人只知道一味地批评条约的不是，这根本无济于事。”
“所以又要发表你的飞机论了？”
“在这种军备比例下，假如有一天和强劲的美国海军作战应该怎么办？假如我们不理会裁军条约而建造主力舰，他们也同样会造，何况美国的工业技术又超出日本一筹。解决这一问题的唯一办法是，在开战之初以空袭痛击对方，使对方和我国的军力比例趋于相等。因此当务之急，日本必须做的是发展空军。”山本非常清楚地看到，裁军条约对海军航空兵的发展方面没有加以任何限制。这可以说是山本在第一次伦敦裁军谈判期间获得的最大收获。
4年之后，山本五十六又一次踏上英国国土，来到伦敦。山本此次伦敦之行是参加讨论废除“华盛顿条约”和修改“伦敦条约”的预备谈判。
虽然距上次伦敦之行仅仅过去了4年时间，但在这4年中，日本的形势却发生了很大的变化。1929年至1933年席卷全世界的经济大危机，日本也未能幸免。在空前的经济危机的冲击下，经济结构本来就十分脆弱的日本，工厂倒闭，百业萧条，由此导致阶级矛盾空前尖锐激化。日本的***势力利用国内阶级矛盾激化的机会，大大膨胀起来，形形色色的***组织在经济危机的高潮中纷纷出笼。1930年夏，军内最大的***组织——樱会宣告成立，其宗旨是：“以改造国家为最终目的，如为此需要行使武力，亦在所不辞。”与对内“改造国家”相适应，在对外政策中极力鼓吹：“战争乃创造之父，文化之母”，在中国东北扶植了伪满洲国。尽管国际联盟在对日本侵略中国问题上极尽其妥协绥靖之能事，但由于一方面日本的侵略野心不局限于中国东北，另一方面日本要独霸中国的企图与英美发生了矛盾，所以国际联盟仍在1933年1月的特别大会上通过了谴责日本侵略和要求日本退出满洲的决议。3月29日，日本宣布退出国际联盟，从此走上与英美武力对抗的道路。
国际联盟
第一次世界大战结束后建立的国际组织。又称国际联合会，简称国联。1919年1月8日，巴黎和会通过建立国联的决议。1920年1月10日，国联正式成立，总部设在瑞士日内瓦。中国为国联创始会员国之一。美国威尔逊政府曾企图把国联作为建立世界霸权的工具。后因英、法、意、日反对未能如愿。因此，美国国会拒绝批准《凡尔赛和约》，因而未参加国联。由于列强之间的纷争，国联在解决国际争端方面的成效很少。国联对日本侵略中国，意大利侵略埃塞俄比亚，德国侵略奥地利均采取绥靖主义立场。第二次世界大战爆发后，国联名存实亡，1946年4月19日国联正式解散，所属财产和档案移交联合国。
在这一形势下，1935年华盛顿条约即将到期，急于扩大侵略实力的日本海军迫不及待地要摆脱华盛顿条约的限制，因此对海军裁军另提出了自己的要求：放弃“比例主义”，主张军舰总吨位一律平等，只规定“不威胁，不侵略”的标准。实际上是想借此以彻底打破国际裁军条约的束缚。
1934年9月7日，山本五十六被任命为伦敦海军裁军会议预备会议日本方面的海军首席代表。一个星期之后，山本五十六启程执行他的使命。出发之日，东京车站和横滨港挤满送行的人群，一些狂热的***分子对山本之行寄予了很高的期望。山本在写给堀悌吉的信中说：“临行时，不论在东京火车站，还是在横滨码头，都聚集有很多面目不清的人。他们或称某某同盟或某某联合会，宣读决议或宣言以壮我行，实感不快。这样的忧国志士实在令人担心。”
山本再次取道美国，仍然期待在美国会有所收获。当时有美国“杜黑”之称的比利·米切尔将军正诉诸于舆论界，急切要求美国用空军武装自己，以作为最终用于对抗日本的手段。山本虽然十分关注他的美国同行的理论，却极力掩饰自己。当有记者问他有关日美之间日益紧张的关系时，他用日语宣称：“我从来没有认为美国是潜在的敌人，日本的海军计划也永远不会包含日美战争的可能性。”在说完这句话之后，哈佛大学毕业的山本借口不会英语，拒绝再说别的话。然而，当他乘“贝伦加里亚”号邮船到达英国时，他用十分标准的新英格兰口音，给英国的记者提供了一条头版新闻：“日本再不能屈从于海军比例的约束。在这一点上，我国政府没有任何妥协的可能。”
10月25日，会议正式开始。参加谈判的英方代表是首相麦克唐纳、外交大臣西蒙、海军大臣蒙塞尔、参谋长查特菲尔德和外交部参事克莱棋，美国方面的代表是戴维斯大使和参谋长史坦德。
会议开始，山本五十六便提出修改主力舰日本对英美3：5：5的比例，认为过去在华盛顿和伦敦两次会议中所决定的比例并不恰当，主张应按日本方面提出的新方案达成三国间的协定。英、美两国自然不肯同意，双方遂展开了一番唇枪舌剑的斗争。
山本五十六最初还是以少将身份与英美代表谈判的（后于11月15日提升为中将），与英、美代表的身份相比显得过于低了，因此山本在谈判桌上明显受到轻视，尤其是美国代表戴维斯更是如此。因为山本五十六1920年在华盛顿参加会议时，不过是日本代表币原喜重郎属下的一名中佐，而戴维斯当时已位居副国务卿之要职。此次会议，戴维斯没有想到他的谈判对手竟是过去的一名小小的中佐。然而，好斗的山本凭其赌博养成的善于观察和估量对手的才能，在谈判中很快就令对手感到头痛了。
当会议快要结束的时候，山本终于奉命提出取消航空母舰的戏剧性建议作为杀手锏。戴维斯知道山本是主张“空海主义”的，因而感到有了反击的机会，遂嘲弄地说道：“在我的记忆中，山本将军当过航空母舰‘赤城’号的舰长，也曾任过航空战队的司令官。有这种航空经历的人，竟会说出废除航空母舰的话，简直令人难以相信。”山本还是不慌不忙地答道：“不错，我曾任航空母舰舰长及航空战队司令，唯其如此才更深深体会到飞机威力的强劲和在今日已有的很大进步，此后也必将有几何式的发展。如此则航空母舰势将成为舰队的中心主力，其威力是无可预知的。航空母舰在战时的攻击性使命，将给人类带来多少不幸，一想到这些就使我不寒而栗。因此不得不主张废除。”戴维斯对山本的这一番话无言以对，他吃惊地向身旁的代表说：“不知是我的能力不及休斯，还是山本的水平比加藤（友三郎）高。在华盛顿会议时，是美国左右谈判局势，而现在则完全相反，山本左右了谈判的局势。”