Към 1944 г., след големите загуби на японския флот, „Ямаширо“ оставя службата си в бреговата отбрана и влиза в състава на флота, който води активни бойни действия. Линкорът е флагмански кораб на Южната група на вицеадмирал Шоджи Нишимура. Участва в сражението в пролива Суригао, най-южното от сраженията в залива Лейте. През нощта и ранното утро на 25 октомври „Ямаширо“ се сражава против превъзхождащия американски флот. Линкорът е потопен с торпеда и оръдеен огън на американските линкори. Вицеадмирал Нишимура загива заедно с кораба, и само 10 члена на екипажа оцеляват.