美機分成攻擊機群和掩護機群分別爬升到不同高度。９時３３分１０秒，機群穿過布干維爾島的綠色海岸線，進入林海上空飛行。９時３４分１７秒，卡伊里灣以北３５海里上空出現了兩架三菱Ⅰ型雙引擎轟炸機，并有６架零式戰斗機護航。米切爾的掩護機群立即爬上２萬英尺高空，以引逗零式戰斗機。護航的日本戰斗機果然上當，離開轟炸機，向高空的美國機群追了上去。此時，擔任攻擊任務的蘭菲爾機群立即加大油門，向山本座機猛撲過去。瞬間，蘭菲爾離山本座機只有１．５公里了。

　　此時，日本戰斗機發現上當，急忙全速俯沖下來，企圖插到蘭菲爾和山本座機之間，阻止對山本座機的攻擊。蘭菲爾也發現了對手，并立即向日本戰斗機迎面沖去，就在兩機幾乎撞上的一瞬間，蘭菲爾按下了炮鈕，日本戰斗機拖著濃煙從他的視野中消失了。這時，米切爾從高空向蘭菲爾緊急呼叫：“湯姆，別管零式，盯住轟炸機，打掉轟炸機！”兩架日本轟炸機降低高度，掠樹梢飛行，企圖逃跑。蘭菲爾緊追山本座機不放。美國攻擊機群的其它飛機，因為甩不掉新安裝的特大副油箱而退到空戰圈外。

　　此時，只能靠蘭菲爾和他的僚機巴伯的攻擊了。蘭菲爾已經瞄準山本座機了，日本戰斗機還在企圖掩護座機，但是為時已晚。手急眼快的蘭菲爾連續發射了一長串２０毫米機關炮彈，他打得非常準，山本座機的右引擎、右機翼中彈，爆炸起火。因座機在低空飛行，降落傘也無濟于事了。

　　當山本座機向卡伊里灣岸邊的叢林栽下去的時候，蘭菲爾繼續對準它猛烈射擊。山本座機的兩翼折斷，在離卡伊里灣幾英里的叢林中墜毀了。這時又有兩架零式機緊緊盯住了蘭菲爾的飛機并向他開火，蘭菲爾猛然把機頭拉起，方向舵上，留下了兩個彈痕。

　　巴伯朝另一架轟炸機猛烈開火，掩護機群的霍姆斯也沖了上來，向轟炸機開火。被打斷了垂直尾翼的轟炸機向海面墜落下去。此時是９時３８分９秒，整個戰斗不到４分鐘。帶隊長機米切爾少校下令：“返航！”布干維爾島上空又恢復了平靜。第二天，駐在阿庫村的日軍，奉命在叢林中開出一條小路，尋找座機殘骸。他們發現了墜毀的飛機。山本五十六大將依然被皮帶縛在座椅上。頭部中彈的山本仍挺著胸，握著佩刀，但垂下了頭。

　　日本當局將山本的死訊封鎖了３４天。

　　５月２１日東京電臺才宣布“山本壯烈犧牲”的消息。

　　６月５日，舉行了百萬人參加的葬禮。

　　蘭菲爾因戰功卓著而晉升為上尉，并收到羅斯福總統的賀電。但為了嚴守破譯日本密碼的機密，美國方面一直嚴令參戰者對有關情況保密，并在事后連續多日向布干維爾島地區出動多批飛機，目的是要日本相信，擊落山本座機，純屬偶然事件。