Im Oktober 1944 nahm die "Nagato" an der Schlacht im Golf von Leyte teil. Ihre Kampfgruppe beschoss die Geleitflugzeugträger von Admiral Sprague in der Schlacht vor Samar. Sie versenkte dabei den US-Flugzeugträger "Gambier Bay". Die "Nagato" wurde durch mehrere Luftangriffe beschädigt, und etwa 40 Mann ihrer Besatzung wurden getötet. Sie wurde anschließend über Umwege gemeinsam mit den Schlachtschiffen "Yamato" und "Kongō" nach Kure zurückgezogen und nahm wegen knapper Brennstoffvorräte und mangelnder Erfolgsaussichten an keinen weiteren Operationen teil.