９时３４分１７秒，卡伊里湾以北３５海里上空出现了两架三菱Ⅰ型双引擎轰炸机，并有６架零式战斗机护航。米切尔的掩护机群立即爬上２万英尺高空，以引逗零式战斗机。护航的日本战斗机果然上当，离开轰炸机，向高空的美国机群追了上去。
此时，担任攻击任务的兰菲尔机群立即加大油门，向山本座机猛扑过去。瞬间，兰菲尔离山本座机只有１．５公里了。此时，日本战斗机发现上当，急忙全速俯冲下来，企图插到兰菲尔和山本座机之间，阻止对山本座机的攻击。
兰菲尔也发现了对手，并立即向日本战斗机迎面冲去，就在两机几乎撞上的一瞬间，兰菲尔按下了炮钮，日本战斗机拖着浓烟从他的视野中消失了。
这时，米切尔从高空向兰菲尔紧急呼叫：“汤姆，别管零式，盯住轰炸机，打掉轰炸机！”两架日本轰炸机降低高度，掠树梢飞行，企图逃跑。兰菲尔紧追山本座机不放。美国攻击机群的其它飞机，因为甩不掉新安装的特大副油箱而退到空战圈外。此时，只能靠兰菲尔和他的僚机巴伯的攻击了。兰菲尔已经瞄准山本座机了，日本战斗机还在企图掩护座机，但是为时已晚。手急眼快的兰菲尔连续发射了一长串２０毫米机关炮弹，他打得非常准，山本座机的右引擎、右机翼中弹，爆炸起火。因座机在低空飞行，降落伞也无济于事了。当山本座机向卡伊里湾岸边的丛林栽下去的时候，兰菲尔继续对准它猛烈射击。山本座机的两翼折断，在离卡伊里湾几英里的丛林中坠毁了。这时又有两架零式机紧紧盯住了兰菲尔的飞机并向他开火，兰菲尔猛然把机头拉起，方向舵上，留下了两个弹痕。
巴伯朝另一架轰炸机猛烈开火，掩护机群的霍姆斯也冲了上来，向轰炸机开火。被打断了垂直尾翼的轰炸机向海面坠落下去。此时是９时３８分９秒，整个战斗不到４分钟。带队长机米切尔少校下令：“返航！”布干维尔岛上空又恢复了平静。
第二天，驻在阿库村的日军，奉命在丛林中开出一条小路，寻找座机残骸。他们发现了坠毁的飞机。山本五十六大将依然被皮带缚在座椅上。头部中弹的山本仍挺着胸，握着佩刀，但垂下了头。
日本当局将山本的死讯封锁了３４天。５月２１日东京电台才宣布“山本壮烈牺牲”的消息。６月５日，举行了百万人参加的葬礼。
兰菲尔因战功卓著而晋升为上尉，并收到罗斯福总统的贺电。但为了严守破译日本密码的机密，美国方面一直严令参战者对有关情况保密，并在事后连续多日向布干维尔岛地区出动多批飞机，目的是要日本相信，击落山本座机，纯属偶然事件。
