到美国后，山本一面集中精力认真处理各种政务，同时，以常人难有的敏锐目光关注美国航空界的动向。当时，美国航空界正在试图飞越大西洋，飞机制造业的发展日新月异。在山本到美国后的第二年，美国人林德伯格单人驾机飞行3600千米，越过大西洋。山本清醒地意识到日本航空业的落后，他命三和义勇全面搜集和调查美国航空界的新动向，特别是先进的导航技术的发展，并向有关方面建议彻底改变英国“圣塔尔”飞行团创立的靠直观飞行的传统，使用先进的导航仪器。山本的努力对日本海军走向航空打击时代发挥了重要作用。
1928年3月，山本五十六的外交官任期期满，回国后担任“五十铃”号舰长职务。12月，又被任命为“赤城”号航空母舰舰长。他的才华和精神日益受到上层的关注。就在他上任不久，日本政府决定让他参加当时一次极为重要的国际谈判——1930年1月在英国举行的国际海军裁军会议，任日本海军随员。这时的山本五十六，已经是一位成熟的海军少将了。
两次参加伦敦会议
第一次世界大战以后，日本攫取了德国在华利益，直接威胁到英美等国的利益，引起了英美国家的强烈不满。于是，日本与英美围绕着太平洋霸权展开激烈的军备竞赛。为了抗衡英美，日本从1920年起实施“八八舰队计划”，也就是到1928年，日本海军将增加8艘主力舰和8艘巡洋舰。美国也不示弱，抛出了建造157艘军舰的“达尼埃尔扩张案”，英国则准备建造4艘超级主力战舰。巨大的军费开支给双方都造成难以忍受的财政危机，因此，1921年、1922年英美日等国两次召开华盛顿会议。在这两次会议上，作出了把英、美、日海军军备主力舰只的吨位数分别限制在5：5：3范围内的规定，即日本军备舰只的总吨位数只能分别占英美的6/10。这一结果引起日本国内一场轩然大波，有人基于国力表示赞同，有人则表示坚决反对。在日本海军中，也形成了支持这一决议的“条约派”和反对这一决议的“舰队派”。对英美等国了如指掌的山本五十六，深知同美国竞争的结果，因此，他不主张同英美等国抗衡，而主张接受华盛顿条约。山本的真实意图是，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竞争，而应该发展非正统武器，特别是飞机，必要时可以突然袭击敌人。因此，山本五十六奇袭珍珠港的想法可能这时已经萌芽了。