1944年10月，武藏号参加“捷1号”作战计划，由栗田健男海军中将率领包括武藏在内的第2舰队从婆罗洲北部的斯里巴加湾出发参加莱特湾海战。
1944年10月太平洋天空晴朗，徐徐在海风，带着秋天凉意。
1944初年一名“武藏号”船员在写回家的信中写道：“最近战斗不断，敌人空袭不断，但敌人不管怎样拼命都丝毫不能在帝国战舰面前引起威胁性的波澜，远处巨大的水花，竟成了航海时一道美丽的风景，只有时不时的发现敌人潜艇信号时，才能引起暂时性的紧张，我们都渴望与敌人战舰决一死战，可是即使发现了，敌人的舰船都被帝国威武的雄姿吓得落荒而逃，丝毫不敢逗留，成了船员们的笑柄。”
但事实上美军在加莱特湾海战中主要打法，就是采用引诱的战术让其日军主力舰队主力分开，失去空中掩护，而日军的战列舰编队虽然是主力，但是在那个时期战列舰时代已经过去，美军是不会选择与日军战列舰编队展开决战，因为在战列舰在空旷的海域就如同轰炸机的靶子一般，而此次日军制定的战术也让人觉得诧异，居然是以航母舰队诱饵引诱，而战列舰编队作为主力。
1944年 10月24日天空乌云密布，云层加厚，海面波涛起伏，经过6天的战斗，日本联合舰队几乎丧失了制空权，6天的战斗共有700架飞机被击落。
1944年10月24日上午10时许，来自无畏号和卡伯特号航母的24架美机率先出现在“武藏号”上空。10点25分，两架SB2C俯冲轰炸机首先向“武藏”号投弹，一枚在舰艏外侧爆炸，另一枚命中1号炮塔后弹入海中。不过两分钟后，一架TBM攻击机投下的鱼雷准确击中了该舰的右舷，不仅造成部分舱室受损进水，还使舰桥上的主炮射击方位盘因剧烈震动而卡死，巨大的460mm炮塔一时失去了齐射能力。
11点38分前后，第二波45架美机也相继出现。武藏号左舷连续被2枚227公斤炸弹命中，第2机械室因火灾蔓延被迫封闭，只剩3根推进轴运转，航速下降到22节。紧接着，3枚鱼雷在同一侧相继炸响，1号炮塔内的一发三式对空弹竟因此被诱爆，造成大量进水。尽管舰长猪口敏平下令向右舷注水、使舰体勉强恢复了平衡，但前甲板因为进水过多下沉了整整2米。速度放缓、前主炮无法对空射击加上舱面人员死伤惨重，“武藏”号在下午1点半的第三波空袭中再遭荼毒，不仅连中4枚炸弹和1发至近弹，左右两舷还各被2枚、3枚鱼雷击中，进水越发严重。下午3点，猪口向“大和”号发报：“两舷防水区域大部分进水，加之注水过多，航速降至20节。”
1944年10月24日 晚7点35分，带着包括舰长在内的1021名官兵的尸体，武藏号消失在了菲律宾锡布延海北纬13度7分、东经122度32分处，沉没前曾被20枚鱼雷、17颗炸弹和18发至近弹命中。
其实武藏号参加真正的作战只有2次，1944年的加莱特湾海战，是日本在太平洋上的最后一次海战，当时美军的特混舰队不管在质量上和吨位上都远远超出当时的日本海军联合舰队。当时日本舰上的官兵，还不知道他们面对的敌人有多么强大，不少人还以为敌人是惧怕不敢面对面的交战，其实不然，而是日本联合舰队有意避开。其实日本海军司令部当初计划是，以小泽的航母舰队为诱饵，吸引敌人注意然后由栗田健男海军中将率领包括武藏在内的第2舰队，进入莱特湾岛击退或消灭盟军在莱特岛的登陆部队，然后调过头来跟小泽舰队前后夹击，迫使美国特混舰队败退。但结果是武藏在内的第2舰队率先被美军侦察机机发现，结果美军司令部调整了部署。
包括武藏号，在内 巡洋舰以上重型军舰13艘被击沉，日本在菲律宾一带海基与陆基航空力量被消灭，严重打击了日本全局的实力，从此日本联合舰队在太平洋中，不再是一个战略力量。
“ 武藏号”是第二次世界大战期间日本帝国海军建造的大和战列舰的二号舰，是人类历史上最大的战列舰之一。据说比大和号战列舰还要大。