山本在霞浦航空队任职1年零3个月。1925年12月，受命出任日本驻美大使馆副武官。航空队对他依依不舍。为了表示敬意，当山本1926年1月21日乘“天洋丸”启程时，整整一个中队的飞机出现在“天洋丸”上空并掠过船头。这在日本海军史上是前所未有的，山本亦心潮澎湃，激动不已。
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。