В хода на бойните действия на Тихоокеанския театър на военните действия през Втората световна война в първата половина на 1942 г. в състава на 4-та дивизия крайцери участва в превземането на Малая и Нидерландска Индия, бидейки флагман на адмирал Кондо. В последващата Гуадалканалска кампания крайцера участва в сраженията при източните Соломонови острови, при островите Санта Крус, втория бой при Гуадалканал и при нейния край евакуация на японските войски. През 1944 г. „Атаго“ участва в сраженията при Марианските острови и в залива Лейте, ставайки първа жертва на последното: бидейки флагмански кораб на адмирал Курита, той е поразен от четири торпеда на американската подводна лодка „USS Darter (SS-227)“ и се преобръща след 20 минути.