Trong trận Hải chiến vịnh Leyte, "Phoenix" nằm trong thành phần lực lượng của Chuẩn Đô đốc Jesse Oldendorf vốn đã vô hiệu hóa Lực lượng Phía Nam của Nhật Bản trong trận chiến eo biển Surigao. "Phoenix" đã bắn bốn loạt pháo định vị, và khi loạt pháo thứ tư trúng đích, đã khai hỏa toàn bộ các khẩu đội pháo 6 inch (152 mm). Mục tiêu bị phát hiện sau này được xác định là chiếc thiết giáp hạm "Yamashiro", vốn bị đánh chìm bởi 27 phút hỏa lực tập trung của hạm đội Mỹ. Phía Nhật cũng mất thiết giáp hạm "Fusō" và ba tàu khu trục trong trận này, và vào ngày hôm sau máy bay Mỹ tiếp tục kết liễu tàu tuần dương "Mogami".