Nel gennaio 1944 rientrò in servizio e spese la prima metà dell'anno in esercitazioni tra le Filippine e Singapore. Aggregato alla 1ª Flotta mobile del viceammiraglio Jisaburō Ozawa, partecipò marginalmente alla battaglia del Mare delle Filippine, risoltasi con una grave sconfitta strategica giapponese. Tornò dunque alla dipendenze della 2ª Flotta e rimase alle isole Lingga nei mesi seguenti. A metà ottobre si spostò a Brunei poiché coinvolto nel complesso attacco di superficie organizzato dall'ammiraglio Soemu Toyoda per distruggere le forze anfibie statunitensi nel Golfo di Leyte. Il mattino presto del 23 ottobre, però, rimase vittima del sommergibile , che lo colpì con quattro siluri. L"Atago" fu squarciato e affondò molto rapidamente a ovest dell'isola di Palawan, tuttavia gran parte dell'equipaggio fu salvato, compreso il comandante.