В ходе боевых действий на Тихоокеанском театре Второй мировой войны в первой половине 1942 года в составе 4-й дивизии крейсеров участвовал в захвате Малайи и Нидерландской Ост-Индии, будучи флагманом адмирала Кондо. В последующей Гуадалканальской кампании крейсер принял участие в сражениях у восточных Соломоновых островов, у островов Санта-Крус, втором бое у Гуадалканала и завершившей её эвакуации японских войск. В 1944 году «Атаго» участвовал в сражениях у Марианских островов и в заливе Лейте, став первой жертвой последнего: будучи флагманским кораблём адмирала Куриты, он был поражён четырьмя торпедами с американской подводной лодки «Дартер» и перевернулся спустя 20 минут.