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1934年（昭和9年）11月の定期異動で、山縣は最初で最後の艦長職を空母鳳翔で勤める。鳳翔には上海事変・日華事変で戦果を出してはいたが、
山縣が着任していた期間は日中関係が膠着しており、実戦に投入されることなく、上海方面への示威航海を一度実施しただけで平穏な日々を過ごしている。
1935年（昭和10年）の定期異動で航空廠総務部長として指導的立場となる。さらに1936年（昭和11年）に海軍大学校に招聘され、航空教官となった。
当時の大学校では、前任の航空教官だった加来止男中佐が主張する航空主兵論に対する反発が強かった。
加来の後継者となった山縣は、研究者・現場指揮者の経験を踏まえ、
さらに航空主兵論を具体的に考察し、指導した。やがて大西瀧治郎や別府朋明ら航空現場上がりの後輩が出世し、山縣を支持する勢力となった。
教官時代から航空本部員時代にかけての昭和11-13年頃には、漸減邀撃作戦に航空兵力をフル活用する講演を重ね、戦艦不要論・基地航空隊拡充・飛行艇支援艦艇の採用など、斬新な航空兵力強化を提言した。
ただし、雷撃機・爆撃機優先の傾向が強く、陸上基地で運用する大型陸上機に使命を託す論調が強かったため、山縣から軽視された空母戦闘機の隊員からは不評であった。
また、ドイツ空軍創立に影響を受けた陸軍から空軍独立の提案が出された際には、航空屋としては歓迎だが、空軍が活躍すれば海軍が不要になる結果を生ずる以上、海軍組織を維持するためには空軍独立を認めない見解を示し、航空主兵論者を落胆させた。
また、空軍設立を提案する以上は、目視目標がない洋上での航空術を陸軍飛行隊にも施すべきとする難題を陸軍にぶつけ、空軍独立を断念させる原因を作った。
1938年（昭和13年）に少将へ昇進し、部隊司令官となる。華南駐留航空隊として艦載機で編制した第3連合航空隊司令官に任じられ、華南方面で爆撃・偵察を推進した。