Vào tháng 10 năm 1944, dưới quyền chỉ huy của Chuẩn Đô đốc Ban Masami, "Fusō" được phối thuộc vào Lực lượng phía Nam của Đô đốc Shoji Nishimura trong trận Hải chiến vịnh Leyte. Trong trận chiến eo biển Surigao ngày 25 tháng 10 năm 1944, lúc 03 giờ 09 phút tàu bị bắn trúng một hoặc hai ngư lôi phóng ra từ chiếc tàu khu trục Mỹ "Melvin" và bị bốc cháy. Tàu rút lui khỏi trận chiến, nhưng đến 03 giờ 45 phút, hầm đạn của tháp pháo C hoặc Q (hay có thể là cả hai) phát nổ và tàu bị cắt làm đôi. Phần mũi tàu bị đánh chìm bởi hỏa pháo của tàu tuần dương "Louisville" trong khi phần đuôi bị chìm ngoài khơi đảo Kanihaan. Những người còn sống sót trên mặt nước đã từ chối không để được vớt lên, nên chỉ có rất ít hoặc không có ai trong số 1.400 thành viên thủy thủ đoàn sống sót. Có thể đó là chiếc tàu chiến lớn nhất bất kể quốc gia nào từng bị đánh chìm với toàn bộ thủy thủ đoàn trong suốt Thế Chiến II. "Fusō" được xóa khỏi Danh sách Đăng bạ Hải quân vào ngày 31 tháng 8 năm 1945.