在會議期間，山本緊張地為代表團做一些具體的事務性工作，經常是通宵達旦地工作。尤其是在最後撰寫報告書的時候，精力旺盛的山本連續3天3夜沒有睡覺，其精力之充沛，工作準備之充分令代表團成員十分吃驚。當時任駐美大使的幣原喜重郎曾說他是"一個不可思議的人"，不管如何熬夜都毫無倦色，而且還屢屢提出一些中肯的意見。連談判的對手美國副國務卿戴維斯都稱讚他是一個"了不起的傢夥"。
經過各方麵的充分準備，1921年7月，美國正式向英、日、中、法、意等國發出邀請，在華盛頓召開討論限製軍備及遠東太平洋問題的會議。雖然山本五十六沒有參加會議，但此次會議對一戰後日本海軍及山本五十六本人的發展卻密切相關。
華盛頓會議於1921年11月12日在大陸紀念堂開幕。參加會議的日本首席全權代表是海軍大臣加藤友三郎。大會選舉美國首席代表美國務卿休斯為大會主席。休斯以主席身份致詞之後，首先提出了美國關於限製海軍軍備的方案。美國方案的主要內容有：第一，停止各國正在建造或計劃建造的全部戰列艦；第二，10年間停止建造主力艦；第三，參照與會各國的現役海軍力量，確定各主要國家的主力艦及輔助艦的噸位比例。根據上述原則，休斯進一步建議，英美日三國主力艦噸位是：英美各50萬噸，日本30萬噸，即5：5：3的比例。日本對此表示反對。11月28日，日本政府提出三個方案，密電指示日方代表，令其在會上討價還價，首先提出第一案，爭取英美同日本的主力艦比例為10：10：7，如不行，則提出10：10：6.5第二案，倘必須退至10：10：6第三案時，則要求各國保持"維持太平洋防務現狀"。然而日本的這一密電，被美國情報部門破譯，美國對日本的企圖了如指掌。因而當11月30日加藤友三郎正式向大會提出10：10：7的要求時，遭到美國的強烈反對。美國代表聲稱，如果日本堅持它的主張，那麽日本每造一艘軍艦，美國就用造四艘來回答。12月6日，英國代表貝爾福向日本提出妥協案：日本接受5：5：3的比例，英國則不在西太平洋建築和加強海軍基地。美國遂也接受。於是在12月15日簽訂了有關主力艦的協定，並決定了日本與英美的主力艦比例為3：5：5。但對輔助艦的限製問題，華盛頓會議未能達成協議。
盡管山本五十六國提前回國未能參加正式的華盛頓會議，但由幹他參加了會議的籌備，加之他的最要好的知心朋友堀悌吉是會議代表團的成員，因而對會議的情況還是十分了解的。事實上，日本接受3：5：5的比例，是一些較現實的日本軍人不得已的選擇。按照日本7：10：10的要求，其目的就是要建成計劃中的"八八艦隊"。但自1920年實施建造"八八艦隊"計劃以來，經濟尚不發達的日本已暴露出其國力難以承受的跡象。日本政府為實現這一計劃，付出的代價十分巨大，僅1921年度，政府撥給海軍的費用就占日本國家總預算的1/3，如果再加上陸軍的費用，總的軍費開支猛增到了日本國家總預算的六成。因此負責談判的加藤友三郎同內閣協商，不得不下決心放棄他本人所提出並全力實施的"八八艦隊建設計劃"。當然放棄"八八艦隊"計劃，亦即意味著放棄把美國作為假想敵國的觀點，保持日美親善關係。這一認識是基於對日美兩國實力差距的認識。正如加藤友三郎所說，國防不單單是軍隊的事，戰爭勝敗也並非完全取決於軍人。不動員全國的物力、人力和財力，是無法贏得戰爭的。如果我們以美國為敵，就必須有強大的足以同美國抗衡的經濟實力。否則，隻能徒有其願而無力實施。不能指望像日俄戰爭那樣，用少量資金而取得了大的勝利。同今天的美國相抗爭，沒有資金，就如同以卵擊石，不能取勝。總之，可以得出這樣的結論：決不可同美國交戰，唯此是我們的出發點。山本的好友倔，涕吉認為，華盛頓會議日本接受3：5：5的比例，無論是從國際的角度還是從國內經濟角度上說，都同樣是挽救了日本。既了解日本在海軍擴張上的困難，又熟悉美國在經濟上的強大的山本，自然也同意這一選擇。
但這一選擇卻遭到日本海軍內強硬派的反對。以海軍專門委員身份列席華盛頓會議的加藤寬治，回國後發表了堅決反對會議決議的觀點，得到了海軍中少壯派的支持，並引起了不明真相的一般日本國民的共鳴。從此，日本海軍內形成了所謂的反對裁軍條約的"艦隊派"和與之相反的"條約派"。
務實而不輕易表態的山本，雖然從立場上是贊同條約派的觀點，或者勿寧說他本人就是條約派的一員，但不可忘記的是，他又是一位徹頭徹尾的用武士道思想武裝起來的民族利己主義者。當他麵臨著這兩種選擇時，他選擇的是如何在現有的條件下盡力尋找彌補日本海軍與美國海軍實力差距的辦法。後來的事實證明，他的努力沒有白費，從海軍航空兵身上找到了他要找的辦法，從而掀起了海戰史上的一場革命。
1921年7月，就在華盛頓會議舉行的前夕，山本五十六結束了在美國的研修生活，回到日本。最初山本被任命為軍艦"北上"的副艦長，到中國沿海一帶活動，旋又任命為海軍大學教官，教授軍政學。在海軍大學擔任教官的一年多時間裏，山本五十六得以擺脫艱苦的海上生活，消化美國之行的收穫。但海軍當局給他的時間並不多。1923年7月，他又奉命考察華盛頓會議後的歐美現狀，踏上旅歐之途。
經過各方麵的充分準備，1921年7月，美國正式向英、日、中、法、意等國發出邀請，在華盛頓召開討論限製軍備及遠東太平洋問題的會議。雖然山本五十六沒有參加會議，但此次會議對一戰後日本海軍及山本五十六本人的發展卻密切相關。
華盛頓會議於1921年11月12日在大陸紀念堂開幕。參加會議的日本首席全權代表是海軍大臣加藤友三郎。大會選舉美國首席代表美國務卿休斯為大會主席。休斯以主席身份致詞之後，首先提出了美國關於限製海軍軍備的方案。美國方案的主要內容有：第一，停止各國正在建造或計劃建造的全部戰列艦；第二，10年間停止建造主力艦；第三，參照與會各國的現役海軍力量，確定各主要國家的主力艦及輔助艦的噸位比例。根據上述原則，休斯進一步建議，英美日三國主力艦噸位是：英美各50萬噸，日本30萬噸，即5：5：3的比例。日本對此表示反對。11月28日，日本政府提出三個方案，密電指示日方代表，令其在會上討價還價，首先提出第一案，爭取英美同日本的主力艦比例為10：10：7，如不行，則提出10：10：6.5第二案，倘必須退至10：10：6第三案時，則要求各國保持"維持太平洋防務現狀"。然而日本的這一密電，被美國情報部門破譯，美國對日本的企圖了如指掌。因而當11月30日加藤友三郎正式向大會提出10：10：7的要求時，遭到美國的強烈反對。美國代表聲稱，如果日本堅持它的主張，那麽日本每造一艘軍艦，美國就用造四艘來回答。12月6日，英國代表貝爾福向日本提出妥協案：日本接受5：5：3的比例，英國則不在西太平洋建築和加強海軍基地。美國遂也接受。於是在12月15日簽訂了有關主力艦的協定，並決定了日本與英美的主力艦比例為3：5：5。但對輔助艦的限製問題，華盛頓會議未能達成協議。
盡管山本五十六國提前回國未能參加正式的華盛頓會議，但由幹他參加了會議的籌備，加之他的最要好的知心朋友堀悌吉是會議代表團的成員，因而對會議的情況還是十分了解的。事實上，日本接受3：5：5的比例，是一些較現實的日本軍人不得已的選擇。按照日本7：10：10的要求，其目的就是要建成計劃中的"八八艦隊"。但自1920年實施建造"八八艦隊"計劃以來，經濟尚不發達的日本已暴露出其國力難以承受的跡象。日本政府為實現這一計劃，付出的代價十分巨大，僅1921年度，政府撥給海軍的費用就占日本國家總預算的1/3，如果再加上陸軍的費用，總的軍費開支猛增到了日本國家總預算的六成。因此負責談判的加藤友三郎同內閣協商，不得不下決心放棄他本人所提出並全力實施的"八八艦隊建設計劃"。當然放棄"八八艦隊"計劃，亦即意味著放棄把美國作為假想敵國的觀點，保持日美親善關係。這一認識是基於對日美兩國實力差距的認識。正如加藤友三郎所說，國防不單單是軍隊的事，戰爭勝敗也並非完全取決於軍人。不動員全國的物力、人力和財力，是無法贏得戰爭的。如果我們以美國為敵，就必須有強大的足以同美國抗衡的經濟實力。否則，隻能徒有其願而無力實施。不能指望像日俄戰爭那樣，用少量資金而取得了大的勝利。同今天的美國相抗爭，沒有資金，就如同以卵擊石，不能取勝。總之，可以得出這樣的結論：決不可同美國交戰，唯此是我們的出發點。山本的好友倔，涕吉認為，華盛頓會議日本接受3：5：5的比例，無論是從國際的角度還是從國內經濟角度上說，都同樣是挽救了日本。既了解日本在海軍擴張上的困難，又熟悉美國在經濟上的強大的山本，自然也同意這一選擇。
但這一選擇卻遭到日本海軍內強硬派的反對。以海軍專門委員身份列席華盛頓會議的加藤寬治，回國後發表了堅決反對會議決議的觀點，得到了海軍中少壯派的支持，並引起了不明真相的一般日本國民的共鳴。從此，日本海軍內形成了所謂的反對裁軍條約的"艦隊派"和與之相反的"條約派"。
務實而不輕易表態的山本，雖然從立場上是贊同條約派的觀點，或者勿寧說他本人就是條約派的一員，但不可忘記的是，他又是一位徹頭徹尾的用武士道思想武裝起來的民族利己主義者。當他麵臨著這兩種選擇時，他選擇的是如何在現有的條件下盡力尋找彌補日本海軍與美國海軍實力差距的辦法。後來的事實證明，他的努力沒有白費，從海軍航空兵身上找到了他要找的辦法，從而掀起了海戰史上的一場革命。
1921年7月，就在華盛頓會議舉行的前夕，山本五十六結束了在美國的研修生活，回到日本。最初山本被任命為軍艦"北上"的副艦長，到中國沿海一帶活動，旋又任命為海軍大學教官，教授軍政學。在海軍大學擔任教官的一年多時間裏，山本五十六得以擺脫艱苦的海上生活，消化美國之行的收穫。但海軍當局給他的時間並不多。1923年7月，他又奉命考察華盛頓會議後的歐美現狀，踏上旅歐之途。