1939年（昭和14年）、最上は呉海軍工廠で主砲を50口径20.3cm連装砲塔5基に換装する工事に着手した。この工事で性能上は一等巡洋艦（重巡洋艦）になったが、対外的には戦没まで15.5センチ砲搭載の二等巡洋艦（軽巡洋艦）で通した。この換装工事で2番砲塔の砲身が1番砲塔との間に入りきらなくなり、常に軽い仰角をかけることになった。1940年（昭和15年）5月1日、第七戦隊に編入された。1941年（昭和16年）に海南島に進出し、仏印進駐作戦を支援した。