Po americkém vylodění na Filipínách byla spolu s "Jamato" součástí centrálního svazu sil viceadmirála Takeo Kurity v bitvě v zálivu Leyte. Během této bitvy byla dne 24. října 1944 v Sibuyanském moři napadena letouny amerických letadlových lodí. První vlna zaútočila v 10:27 a tvořilo ji 9 střemhlavých bombardérů Curtiss SB2C Helldiver z letadlové lodi "Intrepid". Několik dalších vln strojů z letadlových lodí Intrepid, "Essex" a "Lexington" zasáhlo "Musaši" přibližně 17 pumami, až 19 torpédy Bliss-Leavitt Mark 13 a dalších 18 pum jen těsně minulo. V 19:25 téhož dne se "Musaši" převrhla a potopila. Zemřelo při tom více než 1000 členů posádky. Celkem 1376 lidí vylovily z vody torpédoborce "Kijošimo" a "Šimakaze". Tato bitva byla jedinou akcí, ve které "Musaši" střílela speciálními protiletadlovými granáty „san-šiki“, vyvinutými pro děla hlavní ráže 460 mm.