เรือประจัญบานมุซาชิ ได้เข้าร่วมในยุทธการ "อะ" ในการยุทธ์นอกหมู่เกาะมาเรียนา ที่ฝ่ายสหรัฐ ฯ เรียกว่า "การยุทธ์ที่ทะเลฟิลิปปินส์" เมื่อ 19 - 20 มิถุนายน พ.ศ. 2487 และในยุทธการ "โช" ในการยุทธ์ที่อ่าวเลเต แต่ถูกโจมตีทางอากาศจมในทะเลซิบูยัน เมื่อ 24 ตุลาคม พ.ศ. 2487

เมื่อกำลังรบส่วนกลาง อันประกอบด้วยเรือประจัญบาน ยามาโตะ มุซาชิ นางาโตะ คองโง และ ฮารุนะ เรือลาดตระเวนหนัก โจไค เมียวโค ฮากุโระ คุมาโนะ ซึสึยะ จิคุมะ และโทเนะ เรือลาดตระเวนเบา โนชิโระ และ ยาฮางิ พร้อมด้วยเรือพิฆาตอีก 15 ลำ เดินทางผ่านทะเลซิบูยันเพื่อออกสู่มหาสมุทรแปซิฟิก ทางช่องแคบซานเบอร์นาร์ดิโน มุ่งไปยังอ่าวเลย์เตนั้น เมื่อเวลา 1026 ของ วันที่ 24 ตุลาคม พ.ศ. 2487 ก็ถูกกำลังทางอากาศจากกำลังรบเฉพาะกิจที่ 38 เข้าโจมตี โดยระลอกแรก เป็นเครื่องบินขับไล่ F6F 21 เครื่อง เครื่องบินดำทิ้งระ เบิด SB2C 12 เครื่อง และเครื่องบินทิ้งตอร์ปิโด TBM 12 เครื่อง จากเรือบรรทุกเครื่องบิน อินเทรปิด (CV-11) และเรือบรรทุกเครื่องบินเบา คาบอต (CVL-27) ระลอกที่สองด้วยจำนวนเกือบเท่ากัน เมื่อ 10.45 ระลอกที่สาม เป็นเครื่องบินขับไล่ 16 เครื่อง เครื่องบินดำทิ้งระเบิด 12 เครื่อง และเครื่องบินทิ้งตอร์ปิโด 3 เครื่อง เข้าโจมตีเมื่อ 1550 นอกจากนี้เมื่อเวลา 1330 มีเครื่องบินขับไล่ 8 เครื่อง เครื่องบินดำทิ้งระเบิด 5 เครื่อง และเครื่องบินทิ้งตอร์ปิโด 11 เครื่อง จากเรือบรรทุกเครื่องบินเล็กซิงตัน (ลำที่ 2) (CV-16) และบางส่วนจากเรือเอ็สเซ็ก (CV-9) เข้าร่วมโจมตี และเมื่อ 1415 มีกำลังทางอากาศของหมวดเฉพาะกิจที่ 38.4 เรือบรรทุกเครื่องบิน แฟรงกลิน (CV-13) เอ็นเทอร์ไพรส์ (CV-6) เรือบรรทุกเครื่องบินเบา ซานฮาซินโต้ (CVL-30) เบลลิววู๊ด (CVL-24)] ซึ่งประกอบด้วยเครื่องบินขับไล่ 26 เครื่อง เครื่องบินดำทิ้งระเบิด 21 เครื่อง และเครื่องบินทิ้งตอร์ปิโด 18 เครื่อง ก็เข้าร่วมโจมตีด้วย รวมแล้วในวันที่ 24 ตุลาคม พ.ศ. 2487 สหรัฐ ฯ ได้ส่งเครื่องบินเข้าโจมตีกำลังรบส่วนกลาง ของญี่ปุ่น ในทะเลซิบูยัน เป็นจำนวน 259 เที่ยวบิน

ปฏิบัติการสุดท้าย

เรือประจัญบาน มุซาชิ ซึ่งได้รับการทาสีใหม่จนเด่นเพื่อดึงความสนใจของเครื่องบิน ข้าศึกก็ได้ถูกโจมตีตั้งแต่ระลอกแรกเรือถูกตอร์ปิโดที่ท้ายเรือกราบซ้าย 1 ลูก แรงสั่นสะเทือนทำให้ศูนย์รวมของปืนใหญ่ ขนาด 460 มิลลิเมตร ชำรุด ยังผลให้อำนาจการยิงลดลงเพราะต้องให้แต่ละป้อมยิงอิสระ การโจมตีระลอกที่ 2 และ 3 ก็ติดตามมาโดยเฉพาะในระลอกที่ 3 นี้ จะเน้นที่เรือมุซาชิ นอกจากจะโจมตีด้วยลูกระเบิดและตอร์ปิโดแล้ว เครื่องบินขับไล่ข้าศึกยังได้ทำการยิงกราดลงมาด้วยปืนกล ขนาด 12.7 มิลลิเมตร ที่มีลำละ 6 กระบอก ทำให้ทหารประจำปืนกลต่อสู้อากาศยาน ซึ่งไม่มีโล่ปืนกำบังได้รับ บาดเจ็บล้มตายเป็นจำนวนมาก เรือมุซาชิความเร็วลดลงจาก 27 นอต เหลือเพียง 16 นอต จึงตามกระบวนเรือไม่ทัน ถูกทิ้งห่างออกไป ต่อมาความเร็วของเรือก็ลดลงอีก จนทำความเร็วได้ไม่เกิน 12 นอต แม้ฝ่ายพรรคกลินจะได้พยายามซ่อมแซมแล้วก็ตาม แต่เรือก็ถูกตอร์ปิโดหลายลูก เครื่องไฟฟ้าหมายเลข 3 และ 5 ขัดข้อง เรือเริ่มเอียงจนถึง 25 องศา การโจมตีระลอกที่ 5 ทำให้สะพานเดินเรือเสียหาย ต้อง ใช้สะพานเดินเรือสำรองนำเรือต่อไป

ความเร็วของเรือมุซาชิ เหลือเพียง 6 นอต น้ำเข้าเรือมากจนดาดฟ้าหัวเรือจมอยู่ใต้น้ำ ในการโจมตีระลอกที่ 5 นี้ เรือถูกลูกระเบิด 2 ลูก และตกใกล้เรืออีก 3 ลูก ลูกที่ตกถูกเรือได้ ทะลุดาดฟ้าลงไปทำลายหม้อน้ำ หมายเลข 1 และพัดลมของหม้อน้ำ หมายเลข 2 และ 5 ด้วย ต่อมาหม้อน้ำหมายเลข 2 4 และ 6 ก็เสียหายตามไปด้วย ทำให้ไอน้ำส่งไปยังเครื่องจักรใหญ่ไม่ได้ เรือมีความเร็วเหลือเพียง 2 นอต แต่ยังไม่ยอมจมง่าย ๆ เรือถูกตอร์ปิโดรวม 21 ลูก และลูกระเบิด ขนาด 450 กิโลกรัม อีก 17 ลูก นอกจากนั้นยังมีลูกระเบิดที่ตกระเบิดใกล้เรืออีกกว่า 20 ลูก แต่เรือที่ได้รับการออกแบบให้ทุกส่วนมีการป้องกันอย่างดี จึงเสียหายไม่มากนัก ปัญหาสำคัญก็คือ การปรับสมดุล แก้อาการเอียงของเรือ เมื่อเรือถูกตอร์ปิโดทางกราบซ้าย ก็ต้องปล่อยน้ำทะเลเข้าถังอับเฉาทางกราบขวา เพื่อแก้อาการเอียง แต่ เมื่อถูกหลายลูก เข้าก็ต้องปล่อยน้ำทะเลเข้า มาแก้เอียงมากขึ้น จนหัวเรือมุดต่ำลง จน ดาดฟ้าจากหัวเรือจนถึงป้อ ปืนหมายเลข 1 มีน้ำท่วมเต็มเหมือนทะเลสาบ แม้การโจมตีจะผ่านไปกว่า 3 ชั่วโมง แล้วก็ไม่สามารถแก้ไข อาการจมน้ำของหัวเรือได้ เรือต้องลอยลำ อยู่รอเวลาจมเท่านั้น ในที่สุด พลเรือตรี อิงุจิ โตชิฮิระ ผู้บังคับการเรือประจัญบาน มุซาชิ ก็จำต้องสั่งสละ เรือใหญ่ โดยตัวท่านได้ยอมจมไปกับเรือ ต่อมาไม่นานส่วนท้ายเรือ มุซาชิ ก็ยกสูงขึ้น เพราะหัวเรือได้จมลงไปใต้น้ำแล้ว เรือเอียงซ้ายแล้วจมลงสู่ใต้ทะเล และจมมิดน้ำเมื่อเวลา 1930 ของวันที่ 24 ตุลาคม พ.ศ. 2487 ซึ่งเป็นเวลาที่ดวงอาทิตย์ลับขอบฟ้าพอดี

เมื่อเรือประจัญบานมุซาชิถูกโจมตีได้รับความเสียหาย ความเร็วลดลงจนไม่สามารถตามกระบวนได้ทัน พลเรือเอก คุริตะ ผู้บัญชาการทัพเรือ ก็ได้สั่งการให้เรือ ลาดตระเวนหนัก โทเนะ เรือพิฆาตฮามะคาเซะ และ คิโยชิโมะ อยู่ให้ความคุ้มกัน ต่อมาเรือพิฆาตชิมะคาเซะ ก็เข้ามารับหน้าที่แทนเรือ ฮามะคาเซะ ซึ่งได้รับความเสียหายจากการโจมตีระลอกที่ 5 จาก นั้น เมื่อเห็นว่าเรือมุซาชิต้องลอยลำรอเวลาจมเท่านั้น เรือลาดตระเวนหนักโทเนะ ได้ขออนุมัติแยกตัวใช้ความเร็วตามกระบวนเรือใหญ่ไปปฏิบัติภารกิจหลัก จึงเหลือเรือพิฆาต 2 ลำ ที่อยู่ จนวาระสุดท้ายของเรือ มุซาชิ เพื่อช่วยเหลือพลประจำเรือที่สละเรือใหญ่ คือ เรือพิฆาต ชิมะคาเซะ และเรือพิฆาตคิโยชิโมะ