將扶桑級投入作戰的概念在1944年中塞班島戰役已有提案，上校曾向軍令部提案「將扶桑與山城兩艦搭載2000位陸戰隊員發動反攻，船隻直接登岸坐底成為固定砲台」，並聲稱奪回塞班島「陸軍辦不到、飛機飛不到、那就由海軍當特攻隊」。該提案遭軍令部作戰部長駁回。1944年初捷號作戰前，兩艘扶桑級再度入塢整修，加裝雷達與更多的防空鎗砲，然而艦上人員在雷達訓練部分並沒有達成戰備；1944年10月，两艘扶桑级作為西村艦隊主力一同参加莱特湾海战，执行“捷号作战”，10月25日凌晨在进入苏里高海峡时，遭美國海軍埋伏的艦隊群集火圍殲。扶桑号遭魚雷艇編隊運用鱼雷集火命中，魚雷炸斷舰体致使她沉没，山城號則在凌晨3點52分開始遭美軍重巡洋艦、戰艦進行炮擊戰對決，雙方進行18分鐘的炮擊後在毫無建樹的情況下遭美軍炮彈及魚雷集火摧毀。本級兩艦均於1945年8月31日除籍。