令联合舰队参谋长福留繁少将、第一航空舰队参谋长草鹿龙之介少将、第十一航空舰队参谋长大西泷次郎少将共同拟制出具体计划：就是在袭击发起前十余天，以航空母舰为核心的突击编队，从日本出发。在袭击发起日的日出前一至二小时，到达距珍珠港约200海里的海域，出动舰载机突击珍珠港内的美军舰艇和岸基航空基地，以突袭手段消灭美军太平洋舰队，为日军的南进扫清障碍。山本为纪念他所崇拜的东乡平八郎在对马海战中所升起的z字旗，将这一计划的保密代号定为z计划，史学家则称之为山本计划。该计划于1941年4月初草拟完毕并于4月10日上报大本营，但却遭到否决。因为大本营认为该计划过于冒险，如果在攻击前被美军发现，会有灾难性的后果。而且将联合舰队的主力用于珍珠港方向会严重影响对南方的作战。不仅在大本营，就是在联合舰队内部也有很多人反对，其中就有承担作战指挥的第一航空舰队司令南云忠一中将和计划的制定者第十一航空舰队参谋长大西泷次郎少将。高级将领中只有第二航空舰队司令山口多闻少将表示赞同，他认为美国太平洋舰队是盟国在太平洋上的海军主力，只有一举消灭美太平洋舰队才能确保南方作战的胜利，否则即使联合舰队主力全部用于南方的作战，也无法确保胜利。同时还建议在最初的方案中增加他所指挥的第二航空舰队两艘航母“飞龙”号和“苍龙”号。福留繁原先考虑这两艘航母续航力较小，远程奔袭恐有不便，所以不准备使用。山口认为这两艘航母共有100架飞机，飞行员大多是训练有素的老手，战斗力较强，不参战势必增加作战的困难。如果因为航程不足，可在突袭结束后取道马绍尔群岛，补充油料再返回日本。在10月初的突袭计划特别研讨会上山本采纳了这一建议，这样一来参战的航空母舰就由四艘增加到六艘。
9月29日，第一航空舰队司令南云中将和第十一航空舰队司令塚原二四三中将经过会谈一致表示反对突袭计划。10月3日两位舰队司令派出各自的参谋长草鹿和大西前往联合舰队向山本面陈反对意见。但这两人却都被山本说服，转而同意突袭计划。
面对大本营的反对，山本几经交涉最后甚至以辞职相威胁，并通过好友海军中佐高松亲王，也就是天皇的弟弟，将计划直接呈交天皇，获得恩准。这才迫使大本营于1941年10月19日批准这一计划。此时距珍珠港作战仅仅只有五十天。
这一计划所有细节都考虑得非常周密。在兵力编成上，既要求具备强大的突击威力，又要避免编队过于庞大而被发现。最终确定为航空母舰6艘、战列舰2艘、重巡洋舰2艘、轻巡洋舰1艘、驱逐舰11艘、潜艇3艘、油船8艘，共计33艘舰船。舰载机共计423架，其中担负突击任务的354架，其中爱知d3ai九九式俯冲轰炸机（简称九九舰爆）131架，九九式水平轰炸机104架，中岛b5n2九七式鱼雷机40架（简称九七舰攻），三菱a6m2零式战斗机79架（简称零式舰战或零战）。其余69架飞机则负责保护编队安全。
所有攻击兵力分为突击编队和先遣编队，突击编队司令为南云忠一海军中将，下辖六支部队：
空袭部队，由南云直接指挥，包括“赤城”号、“加贺”号、“苍龙”号、“飞龙”号、“翔鹤”号和“瑞鹤”号6艘航母，任务就是出动舰载机攻击停泊在珍珠港的美军战列舰和航母。
警戒部队，由第一驱逐舰战队司令大森仙太郎海军少将指挥，编有“阿武隅”号轻巡洋舰和“谷风”号、“浦风”号、“滨风”号、“矶风”号、“不知火”、“霞”号、“霰”号、“阳炎”号和“秋云”号9艘驱逐舰，负责为空袭部队和补给部队提供警戒。
支援部队，由第三战队司令三川军一海军中将指挥，编有“比睿”号、“雾岛
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