成本高昂的重建不足以避免伊势级战列舰在太平洋战争前沦为明日黄花，战争早期没有重大行动。日本海军大部分大型航空母舰在1942年中期的中途岛海战中损失，伊势号与日向号改装飞行甲板取代后方炮塔，用于水上飞机起降，但日本缺乏飞机与合格飞行员，两舰从未在实战中起降飞机。等待装备航空队期间，两艇偶尔充当运兵船并向日军基地运送物资。1944年10月下旬，伊势号和日向号在恩加尼奥角海战充当诱饵，希望吸引美军航母舰队火力，令登陆莱特岛的盟军失去掩护。两舰此后转到东南亚，并在1945年初参与“北号作战”，向日本运送汽油和其他战略物资。伊势号和日向号接下来转入预备舰队直到同年七月因美军空袭沉没。二战结束后两舰在1946至1947年拆解。