而在日本方面，考虑到潜艇在侦察及两栖登陆作战中的作用，早在潜艇载机试验之前，日本海军司令部就曾将其纳入到二战初期的南下进攻作战计划中去。载机潜艇在日本海军的作战活动中大行其道，也是跟日本海军将潜艇作为与大型水面舰艇协同和远程侦察力量使用的思想联系在一起的。

大战之初的日本海军潜艇力量较为薄弱，偷袭珍珠港时，日本海军仅有64艘潜艇，其中41艘是远洋型潜艇，其余都是中小型潜艇。但大型远洋潜艇虽然航程远、航速高，但也带来可操纵性差和下潜速度慢的缺点，这一点在美军反潜力量占据优势的情况下尤其明显，日本潜艇往往在接近目标之前就会被发现和攻击。所以，为了扩大侦察范围，能够搭载水上侦察机的大型潜艇就被日本海军加以改造，用来执行远程侦察任务。太平洋战争初期，日本海军的“潜水航母”就投入了实战。由于当时的美军情报机构对此并不知情，日军载机潜艇的作战取得了一定成功。特别是在1942年，日本海军伊-25号潜艇使用艇上搭载的E14Y1水上侦察机向美国本土俄勒冈州投掷了燃烧弹，爆炸引发了小规模的火灾，但很快被当地居民扑灭。日本海军的潜艇载机甚至从澳大利亚和印度洋水域起飞，对澳大利亚和新西兰的几个主要城市实施了空中侦察。最远甚至曾到达马达加斯加至索马里一线的东非水域。

伊-25号的成功给予日本海军极大的信心。由于盟军在太平洋海域的海空军力量优势明显，日本海军载机潜艇为了充分执行海上侦察任务，往往要在最大航程内甚至超出航程飞行，并用无线电报告情况。1942年，日本联合舰队司令部提出一个大胆的设想，即用潜艇搭载飞机攻击巴拿马运河以破坏美军部队与作战物资的调动，争取日军一定的兵力优势。为了解决远程侦察和攻击的问题，日本海军开始改进“潜水航母”的战术和装备。其中最著名的就是伊-400级大型载机潜艇以及爱知（Aichi）公司为其设计的M6A1“晴岚”（Seiran）水上侦察机，但伊-400级潜艇最终仅有3艘投入了实战——伊-400号、伊-401号和伊-402号。1945年4月，伊-401号艇奉命前往中国大连运载长途奔袭巴拿马运河所需的燃料，但因在濑户内海触雷受损而被迫返回。同年4月12日，接替伊-401号艇的伊-400号继续执行水下运油任务，最终得以顺利返回吴港。不过，由于此时日军的战况日益恶化，盟军的舰队已在日本本土附近大量集结，巴拿马运河的攻击计划根本无力执行，于是被迫放弃。1945年7月，新的作战计划诞生，为攻击位于乌利西环礁的美国海军航母基地，日本海军第一潜艇支队的伊-400、伊-401、伊-13和伊-14号潜艇共搭载10架M6A1“晴岚”从大凑出发经由4条不同的航线前往作战海域。7月16日，伊-13号遭遇美国海军驱逐舰“劳伦斯.泰勒”号（Lawrence C. Taylor）和护航航空母舰“安齐奥”号（U.S.S.Anzio），潜艇很快被美军飞机击沉。伊-401号也不顺利，潜艇由于遇到了强烈的风暴而受损，伊-400号则发生了一次由电子设备故障引起的火灾。在还没达到预定集结地点的途中，各艇接到日本战败投降的消息。作战于是被迫终止。伊-400号潜艇也于1945年8月28日在本州以东海面向美军投降。