再度入坞整修，加装雷达与更多的防空鎗砲，然而舰上人员在雷达训练部分并没有达成战备；1944年10月，两艘扶桑级作为西村舰队主力一同参加莱特湾海战，执行“捷号作战”，10月25日凌晨在进入苏里高海峡时，遭美国海军埋伏的舰队群集火围歼。扶桑号遭鱼雷艇编队运用鱼雷集火命中，鱼雷炸断舰体致使她沉没，山城号则在凌晨3点52分开始遭美军重巡洋舰、战舰进行炮击战对决，双方进行18分钟的炮击后在毫无建树的情况下遭美军炮弹及鱼雷集火摧毁。本级两舰均于1945年8月31日除籍。