ペンサコーラは台湾沖航空戦で大破した軽巡洋艦ヒューストン (') および重巡洋艦キャンベラ (') をウルシーまで護衛したあと、10月16日に空母ワスプ ("") とともに高速機動部隊に加わった。翌日、第7艦隊に支援されてフィリピンの戦いが始まった。ペンサコーラはジョン・S・マケイン中将の第38.1任務群に加わってレイテ沖海戦を戦うことになった。10月20日のレイテ島への上陸を支援後、小沢治三郎中将率いる機動部隊と対決すべく北に急行し、小沢の機動部隊を打ちのめすと南に向かった。