W kwietniu 1941 Nagumo został dowódcą 1. Floty Lotniczej marynarki japońskiej, złożonej z największych japońskich lotniskowców i stanowiącej główną siłę uderzeniową marynarki japońskiej w planowanej wojnie. Dowodząc 1. Flotą, Nagumo przeprowadził zaskakujący atak na amerykańską bazę morską Pearl Harbor 7 grudnia 1941, zapoczątkowujący udział Japonii w II wojnie światowej.
Następnie jego flota lotniskowców brała udział w kolejnych walkach w rejonie wysp południowego Pacyfiku, a także dokonała wypadu na Ocean Indyjski w kwietniu 1942.
Pierwszą, niewielką porażką dla lotniskowców wiceadmirała Nagumo stała się bitwa na Morzu Koralowym w maju 1942. Jednak w kolejnej bitwie pod Midway 4 czerwca 1942, Nagumo utracił wszystkie cztery lotniskowce, zatopione przez amerykańskie lotnictwo pokładowe. Klęska pod Midway uznawana jest za punkt zwrotny w walkach na Pacyfiku, po którym Japończycy utracili zdolności ofensywne. Sam Nagumo zdołał ewakuować się z płonącego flagowego lotniskowca „Akagi”.