Al estallar la guerra en Europa en 1939, Nagumo es Comandante en Jefe de la 3ra División de Acorazados. Ese año es ascendido a Vicealmirante y al año siguiente es nombrado director de la Escuela naval en Tokio. Poco después Nagumo es nombrado comandante de la 1ra Flota Aérea resultando ser un decidido promotor de la integración de la armada con la aviación. Para esa tarea está rodeado de brillantes oficiales como Minoru Genda, cerebro y gestor de la Aviación Naval, del Comandante Mitsuo Fuchida, piloto de combate y líder y del contralmirante Rynosuke Kusaka, hombre de mucha experiencia, más que la de Nagumo.

Durante el ataque a Pearl Harbor Nagumo estuvo al mando del las operaciones aéreas en el buque insignia Akagi, realizadas el 7 de diciembre de 1941 con la fuerza de ataque Kido Butai. Luego del primer ataque, ordenó detener las acciones y regresar, el segundo ataque que habría sido catastrófico para las fuerzas norteamericanas no se llevó a cabo, dejando intactas las instalaciones navales de las islas, los depósitos de combustible y los talleres. También habrían podido hundir al portaviones USS Enterprise, que regresaba a Pearl Harbor.

Las principales críticas a Nagumo radicaron en su criterio muy cerrado y obsecado, su exceso de precaución, falta de arrojo y audacia, visibles sobre todo en el ataque a Pearl Harbor, donde una tercera oleada podría haber sido devastadora al destruir los depósitos de combustibles y los diques secos que habría dejado inutilizada por muchos meses a la Armada americana en el Pácifico.

En 1944 se le encargó la defensa de Saipan.   El 15 de junio, las fuerzas norteamericanas desembarcan en Saipan y en un mes tienen dominada la isla con enormes pérdidas de ambas partes.  El 6 de julio de 1944 Nagumo se suicidó mientras las fuerzas aliadas completaban la ocupación de las islas.