In der Schlacht in der Philippinensee im Juni 1944 setzte sie ihre Flugzeuge gegen amerikanische Flottenverbände ein und entging selbst einem amerikanischen Luftangriff. Nach den schweren Verlusten an Piloten und Flugzeugen während der Operation wurde entschieden, die "Chitose" im Oktober 1944 als Köder für die amerikanische Flugzeugträgerflotte einzusetzen. Während der See- und Luftschlacht im Golf von Leyte wurde die "Chitose" mit anderen Köderschiffen zum Ziel massiver Angriffe aus der Luft. Sie erhielt mehrere Torpedotreffer durch Flugzeuge der "USS Essex" und ging am 25. Oktober bei Kap Engaño unter.