日本海軍在裝備了這種飛機後，組建了木更津和鹿屋兩個航空隊，並在1937年全麵侵略中國的戰爭中第一次投入屠殺中國人民的戰場。但在中國空軍的英勇反擊下，日本所謂的"跨海戰略大轟炸"遭到了可恥的失敗。
那是在1937年"七七事變"後不久。為了進行大規模侵華戰爭，日本海軍軍令部於7月11日下令組建特設航空部隊。兩天後，日本海軍本更津和鹿屋兩個航空隊合編為第回聯合航空隊，並迅速進駐台灣前進基地。8月13日，駐上海日軍進攻中國守軍，淞滬戰役爆發。為配合陸軍作戰，中國國民黨政府命令駐浙江廣德的空軍第2大隊和駐江蘇揚州的空軍第5大隊，分別主動出擊，轟炸侵滬的日軍和追擊順長江向東逃竄的敵艦，並命令駐河南周家口的空軍第4大隊和駐信陽的空軍第9大隊轉戰移防杭州筧橋機場和曹娥機場，支援淞滬陸軍作戰。結果中國空軍在戰鬥中大顯神威，不斷轟炸停泊在黃浦江中的日本軍艦和在楊樹浦碼頭登陸的日軍。在這種情況下，日軍大本營急令駐本土九州大村基地和台灣新竹基地的木更津航空隊和鹿屋航空隊派出九六式陸基轟炸機轟炸杭州、廣德、南昌和南京等地的中國空軍機場，企圖壓製中國空軍的活動，遂釀成著名的"八一四空戰"。
8月14日下午，駐台灣新竹的日本木更津海軍航空隊派出11架飛機，飛越風雨交加的東海，飛臨杭州筧橋機場上空。中國空軍第4大隊克服雲雨天氣困難，先敵趕到筧橋機場。在日機來襲前幾分鍾，由李桂丹率領的第4大隊第21中隊的9架飛機剛降落，因油料所剩無多正準備加油，第22和23中隊的飛機尚在空中。此時，剛從南京趕到的高誌航大隊長接到海上情報站的通報："雲上有隆隆的機聲，來自台灣方向，似向杭州飛來。"機場發布空襲警報，高誌航下令："飛機不要停車，一半起飛警戒，一半加油待機出擊。"因當時機上沒有空對空和空對地的無線電通信設備，便用布板信號指示第22和23中隊留在空中截擊敵機。中隊長李桂丹一聽敵情，當即率4架飛機起飛。高誌航也登上剛飛到機場尚未加油的座機升空指揮。
當時筧橋一帶正下著雨，日機借雲層掩護，時隱時現。遠途而來的笨重的九六式轟炸機在美製柯蒂斯·霍克-3型飛機麵前，顯得笨手笨腳。剛剛升空的大隊長高誌航率先擊落一架敵機，開創了中國空戰史上擊落敵機的記錄，成為第一位擊落日機的中國飛行員。李桂丹在戰友的配合下也擊落一架。這次空戰歷時30分鍾，中國空軍以六比零的戰績首戰告捷，戳穿了日軍不可戰勝的神話，日本九六式轟炸機首戰即留下了慘敗的記錄。
不過，在其後的戰爭中，日本的九六式轟炸機還是顯示了它的優勢，讓整個世界對其海軍航空兵的裝備和訓練水平大感吃驚。應當說，這其中滲透了山本五十六這個武夫不少的心血。雖然此時山本五十六已升任為海軍省次長，但仍為九六式陸基轟炸機而感到自豪。
在擔任了3年的技術處處長之後，1933年10月3日，山本五十六轉任第1航空戰隊司令官，旗艦是航空母艦"赤城"號，艦長為（土塚）原二四三大佐。這是山本第二次登上"赤城"號。
山本深知日本海軍航空飛機的性能在世界上還是很落後的，要迎頭趕上就必須加強對駕駛人員的培訓，在主觀上盡力縮小與世界強國的差距。因此，上任後，他便督促艦載機駕駛員拚命訓練。由於當時技術不熟練和飛機性能上的缺陷，經常在訓練中發生傷亡事故。艦隊司令部隻好懇求山本五十六放寬訓練。山本五十六卻回答說：
"這是命令嗎？如果是命令，我隻好遵從。如果僅是建議的話，就讓我自己解決。日本航空部隊起步已比歐美晚，若想成為一流的空軍，非嚴格訓練不可。"
針對士兵的怨言，山本責罵他們說："日本艦隊在航空方麵落後於別國的海軍，對日本而言，彌補這一差距的時間是不夠的，因此必須承受這種緊張訓練的代價。"他本人也把訓練中的死亡當成在戰場上的死亡來看待，規定了很高的撫恤費。
一次，一個由議員組成的參觀團前來參觀"赤城"號。山本特意為他們安排觀看飛行表演。兩架戰鬥機不經編隊，在空中做各種飛行動作，時而急速爬高，時而突然俯衝下降，彼此交相纏鬥，動作敏捷，上下閃動。看到這種情況，有的參觀者興奮地說："好看極了，像馬戲團。"山本聽後大為不悅，嚴肅地對他們說道："各位先生，請不要把這種訓練當成遊戲。那急速的下降動作，會使飛行員肺部出血，縮短壽命的。人過了30歲，就不能再接受這樣的訓練了。我並不忍心讓他們做這樣高難度且有傷身體的危險動作，然而，為了國家，我們不得不如此。"
在山本五十六第二次倫敦談判回國後，由於好友掘涕吉此時已被免職，艦隊派在海軍中壟斷了要害地位，山本有些心灰意冷，一度想退出海軍。但在"航空第一主義"支配下的山本，在1935年12月被任命為海軍航空本部部長之後，拋棄了隱退的打算。在當時整個國際局勢日益動盪的形勢下，日本正逐步擴大其在中國的侵略，與英美的矛盾也在不斷激化。山本五十六這個"長岡武士"，決心在這一職位上，將日本海軍航空兵建設得更加強大，為日本法西斯的擴張侵略盡其愚忠。
那是在1937年"七七事變"後不久。為了進行大規模侵華戰爭，日本海軍軍令部於7月11日下令組建特設航空部隊。兩天後，日本海軍本更津和鹿屋兩個航空隊合編為第回聯合航空隊，並迅速進駐台灣前進基地。8月13日，駐上海日軍進攻中國守軍，淞滬戰役爆發。為配合陸軍作戰，中國國民黨政府命令駐浙江廣德的空軍第2大隊和駐江蘇揚州的空軍第5大隊，分別主動出擊，轟炸侵滬的日軍和追擊順長江向東逃竄的敵艦，並命令駐河南周家口的空軍第4大隊和駐信陽的空軍第9大隊轉戰移防杭州筧橋機場和曹娥機場，支援淞滬陸軍作戰。結果中國空軍在戰鬥中大顯神威，不斷轟炸停泊在黃浦江中的日本軍艦和在楊樹浦碼頭登陸的日軍。在這種情況下，日軍大本營急令駐本土九州大村基地和台灣新竹基地的木更津航空隊和鹿屋航空隊派出九六式陸基轟炸機轟炸杭州、廣德、南昌和南京等地的中國空軍機場，企圖壓製中國空軍的活動，遂釀成著名的"八一四空戰"。
8月14日下午，駐台灣新竹的日本木更津海軍航空隊派出11架飛機，飛越風雨交加的東海，飛臨杭州筧橋機場上空。中國空軍第4大隊克服雲雨天氣困難，先敵趕到筧橋機場。在日機來襲前幾分鍾，由李桂丹率領的第4大隊第21中隊的9架飛機剛降落，因油料所剩無多正準備加油，第22和23中隊的飛機尚在空中。此時，剛從南京趕到的高誌航大隊長接到海上情報站的通報："雲上有隆隆的機聲，來自台灣方向，似向杭州飛來。"機場發布空襲警報，高誌航下令："飛機不要停車，一半起飛警戒，一半加油待機出擊。"因當時機上沒有空對空和空對地的無線電通信設備，便用布板信號指示第22和23中隊留在空中截擊敵機。中隊長李桂丹一聽敵情，當即率4架飛機起飛。高誌航也登上剛飛到機場尚未加油的座機升空指揮。
當時筧橋一帶正下著雨，日機借雲層掩護，時隱時現。遠途而來的笨重的九六式轟炸機在美製柯蒂斯·霍克-3型飛機麵前，顯得笨手笨腳。剛剛升空的大隊長高誌航率先擊落一架敵機，開創了中國空戰史上擊落敵機的記錄，成為第一位擊落日機的中國飛行員。李桂丹在戰友的配合下也擊落一架。這次空戰歷時30分鍾，中國空軍以六比零的戰績首戰告捷，戳穿了日軍不可戰勝的神話，日本九六式轟炸機首戰即留下了慘敗的記錄。
不過，在其後的戰爭中，日本的九六式轟炸機還是顯示了它的優勢，讓整個世界對其海軍航空兵的裝備和訓練水平大感吃驚。應當說，這其中滲透了山本五十六這個武夫不少的心血。雖然此時山本五十六已升任為海軍省次長，但仍為九六式陸基轟炸機而感到自豪。
在擔任了3年的技術處處長之後，1933年10月3日，山本五十六轉任第1航空戰隊司令官，旗艦是航空母艦"赤城"號，艦長為（土塚）原二四三大佐。這是山本第二次登上"赤城"號。
山本深知日本海軍航空飛機的性能在世界上還是很落後的，要迎頭趕上就必須加強對駕駛人員的培訓，在主觀上盡力縮小與世界強國的差距。因此，上任後，他便督促艦載機駕駛員拚命訓練。由於當時技術不熟練和飛機性能上的缺陷，經常在訓練中發生傷亡事故。艦隊司令部隻好懇求山本五十六放寬訓練。山本五十六卻回答說：
"這是命令嗎？如果是命令，我隻好遵從。如果僅是建議的話，就讓我自己解決。日本航空部隊起步已比歐美晚，若想成為一流的空軍，非嚴格訓練不可。"
針對士兵的怨言，山本責罵他們說："日本艦隊在航空方麵落後於別國的海軍，對日本而言，彌補這一差距的時間是不夠的，因此必須承受這種緊張訓練的代價。"他本人也把訓練中的死亡當成在戰場上的死亡來看待，規定了很高的撫恤費。
一次，一個由議員組成的參觀團前來參觀"赤城"號。山本特意為他們安排觀看飛行表演。兩架戰鬥機不經編隊，在空中做各種飛行動作，時而急速爬高，時而突然俯衝下降，彼此交相纏鬥，動作敏捷，上下閃動。看到這種情況，有的參觀者興奮地說："好看極了，像馬戲團。"山本聽後大為不悅，嚴肅地對他們說道："各位先生，請不要把這種訓練當成遊戲。那急速的下降動作，會使飛行員肺部出血，縮短壽命的。人過了30歲，就不能再接受這樣的訓練了。我並不忍心讓他們做這樣高難度且有傷身體的危險動作，然而，為了國家，我們不得不如此。"
在山本五十六第二次倫敦談判回國後，由於好友掘涕吉此時已被免職，艦隊派在海軍中壟斷了要害地位，山本有些心灰意冷，一度想退出海軍。但在"航空第一主義"支配下的山本，在1935年12月被任命為海軍航空本部部長之後，拋棄了隱退的打算。在當時整個國際局勢日益動盪的形勢下，日本正逐步擴大其在中國的侵略，與英美的矛盾也在不斷激化。山本五十六這個"長岡武士"，決心在這一職位上，將日本海軍航空兵建設得更加強大，為日本法西斯的擴張侵略盡其愚忠。