Vào ngày 13 tháng 6 năm 1944, "Atago" tham gia Trận chiến biển Philippine, mà kết quả là tổn thất to lớn cho không lực của Hải quân Đế quốc Nhật Bản với ba tàu sân bay bị đánh chìm và mất gần 400 máy bay; Tuy nhiên, "Atago" thoát được mà không bị thiệt hại. Đến ngày 22 tháng 6 năm 1944, "Atago" rút lui cùng với phần còn lại của hạm đội ngang qua Okinawa về Kure, nơi nó được tái trang bị lần cuối, bổ sung thêm bốn khẩu phòng không 25 mm ba nòng và 22 khẩu nòng đơn, lên tổng cộng 60 nòng, cùng radar dò tìm trên không Kiểu 13.