L"Atago" arrivò a Singapore il 16 e tra il 22 e il 30 rimase in secca per la pulizia della carena e un ulteriore controllo. Il 26 agosto, dopo un periodo di riposo per l'equipaggio, lasciò l'arsenale con il "Takao" per le isole Lingga, presso le quali ebbe la sua base durante settembre e ottobre (periodo nel quale il capitano Araki fu portato al grado di contrammiraglio). Tornato con gli incrociatori gemelli alle dipendenze della 2ª Flotta del viceammiraglio Kurita, la seguì il 18 ottobre nello spostamento a Brunei in vista dell'operazione "Shō-Gō 1", un complesso piano per un attacco di superficie alla flotta anfibia statunitense ferma nel Golfo di Leyte. Il 22 ottobre la flotta salpò e si divise in due tronconi: quello più numeroso, al comando diretto di Kurita imbarcato sullo "Atago", doveva costeggiare le Filippine occidentali, penetrare nello stretto di San Bernardino e giungere da nord sul Golfo; il secondo, guidato dal viceammiraglio Shōji Nishimura, ebbe l'incarico di passare dallo stretto di Surigao e arrivare dinanzi a Leyte da sud. L'intera 4ª Divisione incrociatori fece parte del primo gruppo, che nella notte iniziò a risalire la costa dell'isola di Palawan. Poco dopo l'alba del 23 ottobre la formazione fu attaccata dai sommergibili e : alle 05:33 furono colpiti gravemente il "Maya", il "Takao" e l"Atago". Quest'ultimo, vittima del "Darter", fu sventrato da quattro ordigni e, divorato dalle fiamme, accusò subito uno sbandamento accentuato. In appena venti minuti l"Atago" affondò di prua in un punto in cui la profondità era di circa metri (), trascinando con sé 360 morti. I cacciatorpediniere "Kishinami" e "Asashimo" si precipitarono a raccogliere le centinaia di naufraghi e ne salvarono rispettivamente 529 e 171, inclusi il viceammiraglio Kurita, il suo capo di stato maggiore contrammiraglio Koyanagi e il contrammiraglio Araki. Anche il "Maya" colò a picco, mentre il "Takao" fu capace di rientrare a Singapore.