双方经过重新准备以后，第二次推演开始。“蓝军”仍取北航线前进，中途折向南，于攻击前晚间抵达“红军”巡逻机侦察半径圈外，至瓦胡岛的距离约1200千米，空袭编队由北出发，于次日拂晓“红军”巡逻机起飞侦察前飞抵目标，开始攻击。这次达成了突然性，“蓝军”突袭了“红军”军舰，使其遭受重大损失。“蓝军”损失甚微，成功地撤离了战场返航。总裁判裁定：袭击成功。
这次演习虽然成功，因偶然因素和冒险性太多太大，并未打消人们的疑虑。南云在演习期间多次面带难色地对山本说：“北航线有很多危险，一有差错必然会造成重大损失。”
山本每次都拍着胸脯说：“不必担心，一切责任都由我来承担。”
海军大学的图上作业一结束，山本五十六便决定再次派黑岛去向海军军令部汇报决心，要求批准。山本再三叮嘱黑岛，要充分向军令部表达坚持袭击珍珠港的决心，要求军令部批准出动全部航空母舰进击夏威夷。
就在黑岛启程之时，山本把黑岛拉到一边说：“告诉他们，如果该计划未获批准，我宁愿辞去联合舰队司令官的职务。”山本五十六似乎在向军令部下着最后通牒。在派黑岛前往军令部的同时，山本还通过其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。大本营终于批准了这一计划。
“Z计划”几经修改，使各方面都更加周密完善。
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423架，担负突击任务的354架，其中九九式俯冲轰炸机131架，九九式水平轰炸机104架，九七式鱼雷机40架，零式战斗机79架。其余69架飞机则负责保护编队安全。编队司令为南云忠一中将。另外还有27艘潜艇组成先遣队，先期出发。其中22艘负责侦察，5艘为特别攻击队，各携带1艘袖珍潜艇，在空袭前将袖珍潜艇放出，由袖珍潜艇自行潜入港内，乘轰炸时的混乱从水下发射鱼雷进行攻击。
在航线选择方面，从日本本土到珍珠港，通常有三条航线：一是经阿留申群岛的北航线。二是经中途岛的中航线。三是经马绍尔群岛的南航线。这三条航线各有利弊，北航线远离美军岸基航空兵的飞机巡逻范围，而且一般无商船航行，便于隐蔽。但气候恶劣，风大浪急，海上加油比较困难。中、南航线，气候宜于航行，但来往商船频繁，而且距美方岛屿较近，易被发现。经过再三比较，特别是出于保密的考虑，最后日军选择了北航线。
飞机起飞海域的距离，也是需要考虑的。太近容易被发现，太远又会使飞行员疲劳，影响战斗。几经研究，最后选定起飞海域为瓦胡岛以北200海里，即北纬42°，西经170°海域。根据当时日军飞机的航速推算，从起飞到飞抵珍珠港需要约二小时。而且在舰载机起飞后，航空母舰便后撤一段距离。这样一来，日军飞机去时航程近，返回时航程稍远。美军如果派出飞机追击，那么往返航程都增加不少，增加美军追击的困难。
突击时间的选择更是煞费苦心。要和在马来亚的登陆同时发起，由于登陆是在拂晓，为便于作战的顺利完成，首先是要下半夜有月光的日子，即下弦月的日期。其次是要星期日，因为根据美军的活动规律，出海的军舰通常在星期六返回，那么星期日在港内停泊的军舰最多，而且星期日人员休假也最多，戒备最松懈。综合各项情况，突击日定为12月8日，农历十九，下弦月，星期日。突击时间为早晨六时。后来，由于参战的第五航空战队的二艘航空母舰上的飞行员没进行过夜间飞行训练，所以把突击时间改为早晨六时起飞，八时实施攻击。
“Z计划”获准的那一天是1941年10月19日。此时距珍珠港作战仅剩五十天。