ペンシルベニア級2隻は1941年12月8日の日本海軍による真珠湾攻撃に遭遇した。アリゾナは空母加賀の飛行隊の航空爆撃により魚雷1本と爆弾5～8発を前方火薬庫に命中されて爆沈し現在も真珠湾の底に眠っている。一方、ペンシルベニアの被害は軽微で、5月には修理が終わった後は第二次世界大戦の初期をハワイからアメリカ西海岸の海域で活動した。1941年後半から1942年8月にかけて近接対空火器の強化が行われ、更に1942年10月から1943年2月の改装で新型の38口径12.7cm両用砲が装備された。改装後はほとんどを太平洋戦線で過ごし、アッツ島、アリューシャン諸島、多くの侵攻上陸作戦において艦砲射撃による支援を行っている。1944年10月25日にはスリガオ海峡海戦に参加、歴史上最後の主力艦による砲撃戦に加わった。1945年8月に魚雷の被害を受け、4本のスクリューのうち3本を破損し修理を受けている。