支那事変
軍務局長
1937年（昭和12年）10月20日海軍省軍務局長兼将官会議議員。米内光政大将が海軍大臣に、山本五十六中将が海軍次官に既に就任していた。
海軍省詰めの新聞記者たちは、この三人を「海軍省の左派トリオ」と呼んだ。
この頃、支那事変（日中戦争）が本格化した時期であった。
揚子江流域には、英・米・仏の権益が多く存在し、それらの国との摩擦が各所で起き、海軍に関係する問題は全て軍務局長の井上へ集中した。
井上によれば「（中国における軍事行動においては、常にアメリカを刺激しないように、怒らせないようにと苦心し、）航空部隊の連中には誠に気の毒だったが、その軍事行動に非常に厳しい制限が加えられ（ていた）」という。
1937年（昭和12年）12月12日海軍の艦上爆撃機隊が、南京付近の揚子江上で米国砲艦を誤爆・沈没させる「パナイ号事件」が発生した。
井上は、米国の態度硬化を危惧し、山本次官と共に、素早く、率直に非を認め、パナイ号事件を収拾すべく奔走した。
日本政府は、当時の常識を越える多額の賠償金220万ドル＝670万円（当時）を支払い、駐日大使グルーを通じて米国に陳謝する措置を取った。
井上は「昭和12、13、14年にまたがる私の軍務局長時代の2年間は、その時間と精力の大半を（日独伊）三国同盟問題に、しかも積極性のある建設的な努力でなしに、唯陸軍の全軍一致の強力な主張と、之に共鳴する海軍若手の攻勢に対する防禦だけに費やされた感あり」と回想する。
ドイツは日独伊三国防共協定を軍事同盟に強化したいと日本に打診してきた。
海軍部内も三国同盟に肯定的な者は多く、マスコミは、英・米・仏の「露骨な援蒋行為」を批判し、独国の「躍進」ぶりを持ち上げて、反英米・親独の世論を煽っていた。
しかし、米内・山本・井上の「海軍省の左派トリオ」は、三国同盟に絶対反対の態度を堅持した。
井上は「海軍で（三国同盟に）反対しているのは、大臣、次官と軍務局長の三人だけということも世間周知の事実になってしまった。
山本次官が右翼からねらわれているとの情報あり、次官に護衛をつけ、官舎へ帰る途順を色々変えたり、秘書官が心配して私に、催涙弾でもお持ちになってはいかがですかと申し出たのもこのころのことであった」と回想している。
独語に堪能な井上は『Mein Kampf』（『我が闘争』の原書）を読み、訳本で省かれた部分であるヒトラーが日本人蔑視を公言していることを知っており、軍務局長名で海軍省内に「ヒトラーは日本人を想像力の欠如した劣等民族、ただしドイツの手先として使うなら小器用・小利口で役に立つ存在と見ている。
彼の偽らざる対日認識はこれであり、ナチスの日本接近の真の理由もそこにあるのだから、ドイツを頼むに足る対等の友邦と信じている向きは三思三省の要あり、自戒を望む」と通達した。
三国同盟を主張する陸軍と、反対する海軍の交渉が進むにつれ、論点は「自動参戦義務条項」に絞られた。
陸軍はこれを是認し、海軍は絶対反対であった。
三国同盟を巡る陸軍と海軍の対立が頂点に達した1939年（昭和14年）8月上旬には、陸軍がクーデターを起こすのではないかという見方が、海軍省の井上らの周囲で強まってきた。
14日の朝には、麹町付近で演習していた陸軍部隊が、東京・霞か関の海軍省（2012年現在の農林水産省本庁舎の場所）の前まで姿を現して去った。
井上は、横須賀鎮守府の参謀長、先任参謀、砲術学校の教頭と陸戦課長らを海軍省に呼んで海軍省警備の打ち合わせを行った。
井上は、海軍省の建物は陸戦隊の兵力で防衛できるが、水と電気を切られた場合に対応出来るかと考え、部下の軍務局第三課長に、海軍省構内井戸の水量、小型発電機などの検討を指示した。
1939年（昭和14年）10月10日、井上の一人娘の靚子が、海軍軍医大尉の丸田吉人（よしんど）と結婚した。
1939年（昭和14年）10月18日軍令部出仕。
支那方面艦隊参謀長
1939年（昭和14年）10月23日に支那方面艦隊兼第三艦隊参謀長に補され、上海に在泊する支那方面艦隊旗艦「出雲」へ赴任した。
1939年11月15日井上は中将に進級し、同時に第三艦隊の解隊で兼任は解かれた。
艦隊司令部所属の軍楽隊に目をかけ、旗艦「出雲」内に、他の邪魔にならない練習場所を確保してやったり、国際都市の上海ゆえに一流の楽団の演奏会や音楽映画の上映があると、ポケットマネーで切符を買って全楽員を行かせたりと、物心双方で援助をした。
琴やピアノの演奏に長けており、音楽の素養が深い井上は、軍楽隊が演奏する都度、気がついたことを楽員にアドバイスした。
休日には日本人公園で野外演奏を行わせ、外国人を含む聴衆から拍手を受ける経験を積ませ、軍楽隊の士気を高めた。
1939年（昭和14年）10月管轄地域を巡視した際、海南島の海口で、11月2日の晩の会食で、飲めぬ酒を付き合ってほろ酔い加減となった井上は、兵学校で2クラス下（井上が一号生徒の時、板垣は三号生徒）の第五防備隊司令の板垣盛大佐に「貴様の前だけど、貴様の兄貴（板垣征四郎）、ありゃほんとうにいやな奴だな。東京にいたころ、俺は軍務局長相手は大臣で、対等の勝負にならなかったが、今度は同じ参謀長だ。南京へ行く機会があったら腹に据えかねていることをうんと言わせてもらうから、ついでの時そう伝えとけよ」（井上が海軍省軍務局長として日独伊三国同盟に猛反対していた時、陸軍大臣の板垣征四郎中将は三国同盟を推進する勢力の中心だった。
板垣征四郎は、この時期には、陸相から支那派遣軍総参謀長に転じて南京にいた）「貴様も陸軍へ進めばよかったな。そうすりゃ、あの兄貴の引きで今ごろ少将かもしれんぞ。惜しかったんじゃないか、おい」と絡んだ。
温厚な板垣大佐は嫌な顔もしなかったが、末席で聞いていた、支那方面艦隊の最後任幕僚（暗号担当）の市来崎秀丸大尉は、井上が三国同盟を巡って兄の板垣征四郎陸軍中将に不愉快な思いを多々させられたのは分かるが、何の責任もない弟にひどいことを言うものだ、と板垣大佐に同情した。
日本軍が陸上から攻撃できない重慶で抗戦を続ける蒋介石政権を崩壊させるため、1940年（昭和15年）5月1日から9月5日までの約4か月間、「百一号作戦」（重慶爆撃）が実施された。
陸海軍の航空兵力を結集して、四川省方面の中国空軍を撃滅し、重慶の蒋介石政権の政府機関、軍事基地、援蒋ルートを破壊するのが目的だった。
従来から支那方面艦隊の隷下にあった第二連合航空隊、第三連合航空隊に、連合艦隊から増援された第一連合航空隊が加わり、漢口方面の飛行場には、陸攻・艦攻・艦爆・艦戦、約300機が集結した。
井上は6月4日に漢口へ飛び、第一連合航空隊司令官の山口多聞少将、第二連合航空隊司令官の大西瀧治郎少将をはじめとする将兵を激励した。
支那方面艦隊参謀長が最前線に出るのは異例で、百一号作戦に寄せる井上の期待が大きかったことを伺わせる。
百一号作戦の開始当時は、重慶を爆撃可能な航続力を持つ九六式陸上攻撃機を、航続力の短い九六式艦上戦闘機が護衛できず、陸攻隊の損害が日を追って増えた。
航続力が飛躍的に長く、強力な武装を備えた零式艦上戦闘機が漢口に送られ、15機が揃って8月19日から実戦に参加した。
9月13日に、重慶上空で、零戦13機が27機の中国軍戦闘機隊を捕捉し、中国軍戦闘機を全滅させて零戦は全機が帰還する大戦果を挙げた。
以後、重慶上空の制空権は日本側に移り、重慶爆撃の戦果は大いに上がった。
井上は、支那方面艦隊水雷兼政策参謀中山定義少佐のみを従えて、8月6日に九六式陸攻で上京し、翌日、軍令部第一部長の宇垣纏少将ら海軍省・軍令部の十数名と会談し、支那方面艦隊の現状報告と中央への要望を行った。
中山によれば、井上は「われわれは海軍航空隊による重慶を初めとする中国奥地戦略要点の攻撃に重点を置いており、その成否は、当面する支那事変解決の鍵と確信している。
この作戦は日露戦争における日本海海戦に匹敵するとの認識のもとに全力投球している」と述べ、陸攻の増派をはじめとする具体的な増強案を提示した。
中山が、これで井上の要望は終わったかと思った所、井上は一段と語調を強めて「中央には、対支作戦を推進し、その完遂を期すとしながら、その上に第三国（米・英）との開戦に備える動きがあると仄聞するが、万一事実とすれば以ての外である。
今や我が国は支那事変だけでも大変な状況に陥っており、この泥沼から抜け出す見通しが立たない状況である。
この上、第三国たる大国を相手に事を構えるが如きは論外であるというのが、現地部隊である支那方面艦隊の実感である」と述べた。
中央側の出席者は沈黙するのみであった。
宇垣の「御趣旨はよくわかりました」という短い挨拶でこの会議は終わったという。
1940年（昭和15年）の6月16日に仏国が独国に降伏していた。独軍が優勢と見える状況について、中山が、井上に感想を求めた所、井上は即座に「ドイツ軍は必ず負けるよ」と答えた。
8月18日に、軍令部から、支那方面艦隊司令部宛に「北部仏印作戦準備のため、第一連合航空隊を9月5日に内地に引き揚げさせることに手続き中」という無電連絡があった。
支那方面艦隊先任参謀だった山本善雄中佐）によると、「蒋介石政権を空襲で崩壊させるため、支那方面艦隊の航空兵力をさらに増強されたい」という意見具申と「支那事変をそのままに、第三国と事を構えるなど言語道断」という意見具申を、二つとも無視された井上の怒りは大変なものだったという。
井上は、支那方面艦隊司令長官の嶋田繁太郎中将の了解を得て、長官名で、軍令部次長の近藤信竹中将宛に再度の意見具申電を発したが、軍令部は「先に井上支那方面艦隊参謀長が上京して意見具申をした時、軍令部は、御趣旨はわかったとは言ったが、その通りやるとは言っていない」と井上を馬鹿にするような応対をした。
これに対し、井上が「軍令部に駄目押しをしなかった自分の手抜かりであった、辞職する」と言い出した。
支那方面艦隊参謀副長の中村俊久少将と山本が井上を説得し、ようやく収まった。
井上が「海軍を辞める」と言ったのは、海軍省軍務局一課長当時に続き2回目であった。
井上が支那方面艦隊参謀長の職を離れる直前の1940年（昭和15年）9月27日、日独伊三国同盟が締結され、北部仏印進駐と合せ、日本は対米英戦争への道を大きく踏み出した。
山本親雄少将
航空本部長
1940年（昭和15年）10月1日に、海軍航空本部長に補される。
戦後の井上は、山本親雄少将に「自分は支那方面艦隊参謀長のとき、航空が最も重要だと思い、嶋田繁太郎司令長官に、航空関係への転勤希望を申し出ていたところ、これが容れられた」と語っており、井上の希望通りの人事であった。
井上は「戦艦なんか造ったって、飛行機が進歩したらだめだぞ、戦にならないぞという考えは、二、三年前の昭和12年頃から私の頭にあった。
大きな戦艦なんか造るのはむだだ、と会議があるたびに出したわけです」と回想する。
12月16日、丸田家に嫁いだ娘の靚子が長男の研一を産んだ。
1941年1月会議において「第五次海軍軍備充実計画案」（マル5計画）に対し、井上は、これではまるで明治・大正時代の軍備計画である、アメリカの軍備に追従した月並計画で、戦争で何で勝つのか、どれほど必要かが計画にないと批判し、日本は特徴あり、創意豊かな軍備を持つべきで、マル5計画のような杜撰な計画に膨大な国費を費やし得るほど日本は金持ちではないし、仮りにこの計画通りの軍費が出来たとしても、こんなことでアメリカに勝てるものではないから撤回して研究するべきと主張した。
軍令部二部長高木武雄少将がどうすればいいかと聞くと「海軍の空軍化」と答えた。
井上はその後一週間で及川古志郎海相に戦艦無用論と海軍の空軍化を説いた「新軍備計画論」を提出した。
当初、井上はこのような内容の意見書を個人の意見として提出するつもりだった。
ところが、井上が「新軍備計画論」を起草して航空本部総務部長の山縣正郷少将に見せた所、山縣が「ぜひ航空本部長の名で出して下さい」と言ったため、1941年（昭和16年）1月30日付で、海軍航空本部長から海軍大臣宛に正式に提出された。
井上の回想では、井上は、及川海相に文書を手渡した後で「これでいい。私はこれでやめます。
正しいことが一つも通らない海軍はいやになったから、馘を切って下さい」と言うと及川は「馘は切らんよ。やめさせない」と答えたという。
井上が「海軍を辞めます」と言ったのは、海軍省軍務局一課長時代、支那方面艦隊参謀長時代に続いて三度目であった。
及川古志郎海相
井上の回想によれば「井上は破壊的な議論ばかりするという声が耳にはいったからです（省部連絡会議で、マル五計画を痛烈に批判したことを指す。）。
これじゃいかんと思ったので、建白書に自分の考えをまとめたのです。ただ破壊的に、こんなもの（マル五計画、その他の日本海軍の考え）はダメだと批判していただけではない。ずっと以前から、どういう軍備が必要かということを考えていたのだ、ということを示すためにもね。それで私はやめますっていったんだ」「私はいわゆる大艦巨砲主義に反対して、海軍の空軍化を力説したのだが、あれは航空本部長のときにいったんで誤解され、損をしましたよ。航空本部長でもってやったもんだから、我田引水だとか、セクショナリズムだとか、そういうふうにとられてしまいました」
井上は「本省の機務に関する書類は外局たる航本（航空本部）には回って来ないので、（時局の）真相はなかなか分らなかった」と回想する。
しかし、海軍次官が豊田貞次郎中将から沢本頼雄中将に交代した1941年（昭和16年）4月4日から約2週間、井上は海軍次官代理を兼務し、機務に触れることができた。
この時に、野村吉三郎 駐米大使が、悪化の一途を辿る日米関係の改善への必死の努力の結果、「日米了解案」を東京へ打電して来た。
これに対し、日米開戦派である海軍省軍務局第二課主務局員の柴勝男中佐は、駐米海軍武官の横山一郎大佐に対し、「日米了解案について、野村大使を『慎重に補佐』すべし」という訓電を起案し、軍務局長の岡敬純少将に提示した。
岡は、当初は野村大使の「日米了解案」に乗り気だったものの、結局は柴の意見に同意した。
しかし、井上は「野村電に非常に乗り気で、すぐにでも（日米了解案に）調印しろといわんばかりの考えであった」ため、岡から上がってきた訓電案を良しとせず、及川海相に直談判した。
井上の記憶では、その日は土曜日（1941年（昭和16年）4月19日と思われる[120]）で及川はもう帰宅していたので、井上は及川の私宅を訪れた。
井上は及川に「あなたは米国と戦争になってもよいとお考えですか」と問い、及川が「それは戦争にならない方がよい」と答えると、「あなたの直接の部下は少しもあなたの方針を承知しておらず、かえってその反対のことばかりやっていますよ。今持って来た、この書類（柴中佐が起案し、岡少将が承認した訓電案）は実に危険千万なもので、対米了解を達成しよう、などの気持は少しもないのみか、野村大使の苦心を打ちこわすことを考えているようにしか見えません。私は次官代理ですから根本方針を変えるような事務に立ち入る権利はありませんが、こんな書類は通すわけには参りません。私、自分で加筆修正して軍務局につき返しますからご承知下さい」と及川に言った。
井上は、加筆修正して、岡を通じて柴に電文を返した。
井上は、自分が修正した訓電がそのまま発電されたものと死ぬまで考えていたようである。
しかし、柴が「それでは訓電の意味をなさないので、岡軍務局長の了解を得て発電を中止してしまった」と戦後に語っている。
次官代理兼任というわずかな機会を捉えて、反米・開戦への空気にブレーキをかけようと必死だった井上は、沢本頼雄 新次官が上京して着任する前日、熱海に一泊すると聞き、及川海相に「新次官の沢本中将が、着任して省内の反米の雰囲気に巻き込まれる前に、私から現状をつぶさに話して善処をお願いしたい」と願い出て、熱海に行き、兵学校の1期上である沢本に、井上が次官代理をした2週間の出来事と自分の考えを説いた。
同年7月28日日本が南部仏印進駐を行ったことで、在米英の日本資産凍結、日英通商条約廃棄、米国の対日石油禁輸などの強力な経済制裁がなされ、日米関係は一気に悪化した。
南部仏印進駐が7月1日の閣議・翌2日の御前会議で決まった後の7月3日に省部臨時局部長会報（決定事項を知らせるための会議）で、沢本次官から「南部仏印進駐が閣議で決定した」と知らされた。
井上は「そのような対米戦争に直結する一大事に海軍が簡単に同意したのはどういうことか。
私の所管する航空戦備は全く出来ていない。
なぜ、事前に我々の意見を聞かないのか」と非を鳴らし、艦政本部長の豊田副武中将も井上に同調した。
弁解する及川海相や沢本次官に対して、井上は「そんなことで大臣が務まりますか。
南部仏印進駐に文句を言ったのは、手続き上の問題ではなく、事柄が重大すぎるからだ」と、まるで一兵卒に対するかのように怒鳴りつけた（出席していた榎本重治海軍書記官の証言）。
ここまで来ても井上は諦めず、「海軍航空戦備の現状」というかなり長文の意見書を2週間で書き上げ、7月22日に、及川海相、沢本次官、永野軍令部総長、近藤軍令部次長ら、省部の首脳に説明し、航空戦備の各項目（飛行機、機銃、弾薬、魚雷など）について、充足率が著しく立ち遅れていることを示し、「戦争をしてはならない」と強く警告したが、彼らは聞く耳を持たなかった。