Po awansie na porucznika komandora, Ōnishi został przeniesiony na lotniskowiec „Hōshō” 10 grudnia 1928 roku jako dowódca eskadry lotniczej. Został oficerem wykonawczym lotniskowca „Kaga” 15 listopada 1932 roku. Został awansowany na kontradmirała 15 listopada 1939 roku i szefa sztabu 11 Floty Powietrznej.
II wojna światowa thumb|Ōnishi w kokpicie samolotu, ubrany w kombinezon lotniczy thumb|Ōnishi (stoi tyłem po lewej) zagrzewa pilotów kamikaze przed ich ostatnim lotem, 25 października 1944 Na początku wojny na Pacyfiku Ōnishi był szefem Wydziału Rozwoju Lotnictwa Marynarki Wojennej w Ministerstwie Amunicji i odpowiadał za niektóre szczegóły techniczne ataku na Pearl Harbor przeprowadzonym w 1941 roku pod dowództwem admirała Isoroku Yamamoto. Ōnishi sprzeciwił się atakowi, twierdząc, że doprowadzi on do wojny na pełną skalę z wrogiem, który ma zasoby, aby pokonać Japonię i zmusić ją do bezwarunkowej kapitulacji. Niemniej jednak jego 11 Flota Powietrzna odegrała kluczową rolę w operacjach przeciwko siłom amerykańskim na Filipinach prowadzonych z okupowanego przez Japonię Tajwanu.