Vào tháng 10 năm 1944, nó tham gia vào chiến dịch Shō-1 tấn công lên lực lượng đổ bộ Đồng Minh lên đảo Leyte. Vào ngày 24 tháng 10 năm 1944 trong trận chiến biển Sibuyan, "Nagato" bị nhiều đợt máy bay ném bom bổ nhào Mỹ tấn công. Lúc 14 giờ 16 phút, nó trúng phải hai quả bom được ném bởi máy bay từ các tàu sân bay "Franklin" và "Cabot". Quả bom thứ nhất làm vô hiệu hóa một số khẩu đội pháo và gây hư hại cho lỗ hút gió của nồi hơi số 1, làm ngừng một trục mất 25 phút cho đến khi lỗ hút gió được dọn sạch. Quả bom thứ hai đánh trúng nhà ăn và phòng liên lạc vô tuyến phía trước, giết chết 52 người và làm bị thương 106 người khác. Vào ngày 25 tháng 10, lực lượng chính của Hạm đội Cơ động Nhật Bản vượt qua eo biển San Bernardino và hướng đến vịnh Leyte. Trong trận Samar, "Nagato" đối đầu cùng các tàu sân bay hộ tống và các tàu khu trục thuộc Đội Đặc nhiệm 77.4.3 Mỹ. Lúc 06 giờ 01 phút nó khai hỏa vào tàu sân bay hộ tống "St. Lo", lần đầu tiên nó sử dụng các khẩu pháo chính lên tàu đối phương, nhưng bị trượt. Lúc 06 giờ 54 phút, tàu khu trục "Heermann" phóng một loạt ngư lôi nhắm vào chiếc thiết giáp hạm "Haruna"; những quả ngư lôi trượt khỏi chiếc "Haruna" nhưng lại hướng đến "Yamato" và "Nagato" đang chạy cùng hướng. Hai chiếc thiết giáp hạm bị buộc phải tạm ngưng tác chiến quay đầu về hướng Bắc một quãng 16 km (10 dặm) cho đến khi các quả ngư lôi hết nhiên liệu. Khi quay trở lại, "Nagato" tiếp tục giáp chiến cùng các tàu sân bay hộ tống Mỹ, bắn 45 quả đạn 410 mm (16,1 inch) và 92 quả đạn 140 mm (5,5 inch).