В ходе сражения в заливе Лейте «Могами» входил в состав Третьего отделения Первого набегового соединения вице-адмирала Нисимуры. Днём 24 октября он при налёте американской авиации получил лёгкие повреждения от близких разрывов и пулемётного огня. В ходе боя в проливе Суригао в ночь на 25 октября «Могами» получил свыше ста попаданий снарядов различных калибров с американских крейсеров, на нём были выведены из строя три из четырёх ТЗА, погибла большая часть командного состава, произошёл взрыв пяти торпед. На отходе он был протаранен «Нати», получив дополнительные повреждения. Утром 25 октября «Могами» был атакован десятью «Эвенджерами» с эскортного авианосца «», добившимися трёх попаданий 500-фунтовыми бомбами. Из-за возникшего при этом пожара в носовой части и невозможности затопления погребов крейсер был оставлен экипажем и затем добит торпедой с эсминца «Акэбоно»; всего в ходе боя на нём погибло 192 человека.