סוללת התותחים הראשית של היאמטו כללה תשעה תותחי 460 מ"מ (18.1 אינץ') בשלושה צריחים, הקליבר הגדול ביותר של תותחים ימיים שהותקן אי פעם על אוניית מלחמה. אורך כל תותח היה 21.13 מטר, משקלו 147.3 טון והוא היה מסוגל לירות פגזים נפיצים או פגזים חודרי שריון למרחק של 42 ק"מ. סוללת התותחים המשנית שלה כללה שנים עשר תותחי 155 מ"מ (6.1 אינץ') בארבעה צריחים (אחד בחרטום, אחד בירכתיים ושניים במרכז האונייה) ושנים עשר תותחי 127 מ"מ (5.0 אינץ') בשישה צריחים (שלושה בכל צד של האונייה). בנוסף כלל מערך החימוש של היאמטו עשרים וארבעה תותחי נ"מ 25 מ"מ (0.98 אינץ'), בעיקר במרכז הספינה. לאחר שעברה שיפוצים ב-1944 וב-1945 נותרו שישה תותחי 155 מ"מ בסוללה המשנית, מספר תותחי ה-127 מ"מ עלה לעשרים וארבעה ומספר תותחי הנ"מ עלה ל-162.
שירות.
מבחני ים ופעילות ראשונית.
במהלך חודש אוקטובר 1941 עברה היאמטו סדרת ניסויי ים, שבמהלכם נמדדה מהירותה המקסימלית - 27.4 קשרים (50.7 קמ"ש). בשל צִלה המתקרב של המלחמה, והעדיפות שניתנה לבנייה צבאית, היא נכנסה לשירות באופן רשמי חודשיים לפני המתוכנן, ב-16 בדצמבר 1941. הטקס בקורה היה צנוע מהמקובל, שכן היפנים הקפידו על הסתרת מאפייני האונייה. היאמטו, בפיקודו של קפטן גִיהַאצִ'י טָקַיָנַאגִי, הצטרפה ל"שייטת אוניות המערכה הראשונה" ביחד עם אוניות המערכה "נאגאטו" ו"מוטסו" .
ב-12 בפברואר 1942 הייתה היאמטו לאוניית הדגל של הצי היפני המשולב של האדמירל איסורוקו יממוטו. יממוטו תכנן עימות מכריע עם הצי האמריקאי באטול מידוויי. ב-27 במאי הפליגו היאמטו ומלוותיה ממפרץ הירושימה לעבר מידוויי. מפצחי הצפנים של צבא ארצות הברית היו מודעים לתוכניתו של יממוטו ואיפשרו לצי האמריקאי להיערך בהתאם. הצי הקיסרי ספג מכה קשה בקרב מידוויי, שבמהלכו טובעו ארבע נושאות מטוסים יפניות, והושמדו 332 מטוסים. יממוטו ניהל את הקרב מן היאמטו, אך כוחותיו התפרשו בשטח באופן נרחב על מנת לפתות את הכוחות האמריקאיים להיכנס למלכודת, וקבוצת אוניות המערכה הייתה רחוקה מדי מכדי לקחת חלק בעימות. ב-5 ביוני הסיג יממוטו את כוח אוניות המערכה להשירג'ימה.
ב-11 באוגוסט 1942 הפליגה היאמטו מקורה בדרכה ללגונת טרוק. לאחר 11 ימים בים אותרה על ידי הצוללת האמריקאית "פליינג פיש", ששיגרה לעברה ארבעה טורפדות. כולם החטיאו, והיאמטו הגיעה בבטחה לטרוק עוד באותו יום. במהלך כל קרב גוודלקנל עגנה היאמטו בטרוק בשל מחסור בתחמושת לתותחי ה-460 מ"מ שלה, אי הכרת הזירה הימית מסביב לגוודלקנל ובשל תצרוכת הדלק הגבוהה שלה. לפני תום השנה קיבל קפטן צ'יקאי מָטְסוּדָה את הפיקוד על היאמטו.
ב-11 בפברואר 1943 נמסר תפקיד אוניית הדגל של הצי המשולב לאונייה מוסאשי, שהייתה אוניית האחות של יאמטו. בתקופת עגינתה בטרוק זכתה היאמטו לכינוי "מלון יאמטו". כינוי זה ניתן לה על ידי צוותי המשחתות והסיירות ששהו גם הם בדרום האוקיינוס השקט, וזאת בשל העובדה כי האונייה בילתה יום אחד בלבד מחוץ לנמל טרוק בתקופה שבין הגעתה באוגוסט 1942 לעזיבתה במאי 1943. ב-8 במאי 1943 הפליגה היאמטו מטרוק ליוקוסוקה ומשם חזרה לקורה, שם עגנה ב-14 במאי. במשך תשעה ימים ביצעו אנשי הצוות בדיקות ותיקונים כלליים, ולאחר שהפליגה לים הפנימי סטו, עלתה שוב על מבדוק בסוף יולי, הפעם למטרות שדרוגים והתאמות נוספות: שיפור שריון הצריחים המשניים ומערכת ההיגוי, הסרת צריחי תותחי ה-155 מ"מ הצדיים והחלפתם במערכת הגנת נ"מ משופרת שכללה שנים עשר צריחי 25 מ"מ בעלי שלושה קנים ושתי מערכות מכ"ם. ב-16 באוגוסט החלה היאמטו בדרכה חזרה לטרוק, ובה חברה לכוח משימה גדול שנוצר בתגובה לפשיטות האמריקאיות על איי טאראווה ומקין. המודיעין היפני דיווח כי בסיס הצי האמריקאי בפרל הארבור ריק מאוניות, מידע אותו פירשו היפנים ככוונה אמריקאית לתקוף את האי וייק. בעקבות זאת הפליגה היאמטו בסוף ספטמבר עם אוניית המערכה נאגאטו, שלוש נושאות מטוסים ומספר כלי שיט קטנים יותר במטרה ליירט את שייטת "כוח משימה 15" האמריקאית, אך לא הצליחה לאתרה. כחודש לאחר מכן יצאה היאמטו פעם נוספת מטרוק במטרה ליירט את הכוח האמריקאי, הפעם עם שש אוניות מערכה, שלוש נושאות מטוסים ושבע סיירות, אך לאחר שלא נוצר קשר מכ"ם עם האויב במשך שישה ימים, שב הצי לטרוק ב-26 באוקטובר.
בשל גודל שטחי האחסון שבהן ושריונן העבה, שימשו לעיתים היאמטו והמוסאשי להעברת גייסות, ובין 12 ל-17 בדצמבר ליוותה יאמטו את שינוע הכוחות היפניים במסגרת מבצע BO-1. ב-25 בדצמבר, בעת העברת כוחות וציוד שנדרשו לסיוע לחילות המצב בבסיסים בפפואה גינאה החדשה, יירטה הצוללת האמריקאית "סקייט" את היאמטו ואת כוח המשימה שלה במרחק של כ-290 ק"מ מהחוף. הצוללת שיגרה ארבעה טורפדות לעבר יאמטו ואחד מהם פגע בצדה הימני לכיוון הירכתיים. מהפגיעה נפער חור בקוטר 25 מטר בגוף האונייה, וניתק מַחְבָּר שבין חגורת השריון העליונה לתחתונה שגרמו להצפת מחסן התחמושת של הצריח האחורי. כ-3,000 טון מים חדרו לגוף האונייה אך היא הצליחה להגיע לטרוק מאוחר יותר באותו היום. ספינת התיקונים "אקאשי" ביצעה תיקונים זמניים ביאמטו, והיא עזבה ב-10 בינואר לקורה.
ב-16 בינואר 1944 הגיעה היאמטו לקורה לתיקונים, ועלתה על מבדוק יבש עד 3 בפברואר 1944. במהלך ההספנה התקינו לוח משוריין משופע בזווית של 45° באזור פגיעת הטורפדו; עלתה הצעה לפיה יוספו עוד 5,100 טון של פלדה למיגון הספינה מפני פגיעות טורפדו, אך הצעה זו נגנזה במהרה מכיוון שתוספת כזו הייתה מעלה את ההדחק והשוקע של היאמטו בשיעור ניכר. בעודה בהספנה קיבל קפטן נוֹבּוּאֵיי מוֹרישיטָה את הפיקוד על האונייה. ב-25 בפברואר עברה היאמטו משייטת אוניות המערכה הראשונה אל "הצי השני", ובאותו יום עלתה שוב להספנה למטרות שיפוצים נוספים לכל מערכות המכ"ם והנ"מ שלה. הותקנו בה שישה צריחי 127 מ"מ כפולי-קנה ועוד שלושים ושישה תותחי נ"מ 25 מ"מ בעלי שלושה קנים, וכך עלה מספר תותחי 127 ו-25 מ"מ לעשרים וארבעה ו-162, בהתאמה. גם מערכת המכ"ם של היאמטו עברה שדרוג וכללה מערכת לזיהוי תת-אדום, מערכות בקרת נשק ומכ"ם זיהוי אווירי. היאמטו עזבה את המבדוק ב-18 במרץ והחלה בסדרת מבחני ים ב-11 באפריל. היא עזבה את קורה ב-21 באפריל כשעל סיפונה חיילים וציוד בדרכם למשימה בפיליפינים, לשם הגיעה ב-28 באפריל. משם המשיכה למלזיה והצטרפה שם ל"צי הנייד" של תת-אדמירל ג'יסאבורו אוזאווה ב-14 במאי.
קרב ים הפיליפינים.
בראשית יוני שוב שימשו היאמטו והמוסאשי כנושאות גייסות, הפעם על מנת לחזק את חיל המצב ואת הגנת האי האינדונזי בְּיָאק, אך לאחר שלידי אוזאווה הגיעו ידיעות על נושאת מטוסים אמריקאית בסביבות איי מריאנה בוטלה המשימה. אוזאווה ארגן את הצי מחדש וריכז את מרבית כליו באזור תוך תקווה להגיע לקרב הכרעה מול האמריקאים, אך באותה עת כבר היה הצי היפני בנחיתות מספרית ואיכותית אל מול צי האוקיינוס השקט האמריקאי. בין ה-19 ל-23 ביוני 1944 הפליגה היאמטו עם כוחות הצי הנייד של אוזאווה במהלך קרב ים הפיליפינים. האמריקאים כינו קרב זה "מטווח תרנגולי ההודו של איי מריאנה" שכן במהלכו איבדו היפנים שלוש נושאות מטוסים ו-426 מטוסים, אל מול 130 בלבד בצד האמריקאי; תרומתה היחידה של היאמטו הייתה פתיחה בשוגג באש על מטוסים יפנים השבים מן הקרב.
בתום הקרב הסיג אוזאווה את הצי הנייד אל אזור ההיערכות בהאשירג'ימה שליד קורה לצורכי תדלוק והצטיידות. בקורה נוספו ליאמטו חמישה תותחי נ"מ 25 מ"מ תלת-קניים. בהזדמנות זו ננקטו "נוהלי ציפה בחירום", שהביאו להסרת כל חפץ דליק מהאונייה, כגון לינולאום, מצעים ומזרנים. הסרת המזרנים הביאה לידי כך שאנשי הצוות ישנו על לוחות עץ ששימשו במקרה הצורך לתיקון נזקים. צבעים דליקים כוסו בשכבת צבע על בסיס סיליקון ומשאבות נוספות וציוד להגנה מפני אש פוזרו ברחבי האונייה. ב-8 ביולי הפליגה היאמטו דרומה בליווי במוסאשי, נאגאטו, סיירת המערכה "קונגו" ואחת עשרה סיירות ומשחתות נוספות. היאמטו והמוסאשי הפליגו לאיי לינגה, לשם הגיעו ב-16–17 ביולי. בשלב זה של המלחמה הצטמצם מאוד צי המיכליות של יפן בשל פשיטות צוללות אמריקאיות, ועל כן עגנו רוב יחידותיו בדרום-מזרח אסיה, על מנת לשמור על קרבה למקורות הדלק והאספקה שלהן. בשל כך נשארו אוניות המערכה באי זה במשך כשלושה חודשים.
קרב מפרץ לייטה.
בין ה-22 ל-25 באוקטובר 1944 לקחה היאמטו חלק באחד מהקרבות הימיים הגדולים בהיסטוריה - קרב מפרץ לייטה. "מבצע שו 1" החל בתגובה לפלישת האמריקאים לפיליפינים, וריכז מספר כוחות משימה יפניים באי לייטה, עליו נחתו כוחות אמריקאים. ב-18 באוקטובר, נצבעה היאמטו בצבע שחור, כהכנה למעברה הלילי במיצר סן ברנרדינו. ב-23 באוקטובר תקפו הצוללות האמריקאיות "דארטר" ו"דייס" את היאמטו ואת "הכוח המרכזי" של האדמירל טקאו קוריטה, בדרכם ללייטה. הצוללות טיבעו שתי סיירות כבדות מדגם "טקאו", כולל את אוניית הדגל של קוריטה "אטאגו", וגרמו נזק לשלישית. קוריטה ניצל והעביר את דגלו ליאמטו. ביום שלאחר מכן, במהלך הקרב בים סיבויאן, נפגע קשות הכוח המרכזי של קוריטה באבדו שלוש סיירות כבדות נוספות. אובדן כלים זה חיסל כמעט לחלוטין הגנת הנ"מ של הכוח. במהלך אותו יום ביצעו מטוסי נושאות המטוסים האמריקאיות 259 גיחות בסך הכל. באחת הגיחות פגע מטוס מנושאת המטוסים האמריקאית "אסקס" ביאמטו באמצעות שתי פצצות חודרות-שריון, וכמעט-פגע באמצעות פצצה נוספת; היאמטו ספגה נזק בינוני וכ-3,370 טון מים חדרו לאונייה.