神鷹竣工と同日（12月15日）、日本海軍はシーレーン防衛飛行隊として第九〇一海軍航空隊（司令上田俊二中佐）を編成した。また同日附で大鷹型空母3隻（大鷹、雲鷹、海鷹）は海上護衛総司令部部隊に編入。12月20日附で神鷹も海上護衛総司令部部隊に編入された。1944年（昭和19年）1月8日、空母2隻（神鷹、海鷹）、吹雪型駆逐艦3隻（電、響、薄雲）はシンガポールに向け呉を出発したが、神鷹の機関故障により佐伯市（大分県）に仮泊した。神鷹は呉に回航され、シンガポールには3隻（海鷹、電、響）のみが向かった。連合艦隊は神鷹と護衛2隻（吹雪型駆逐艦〈薄雲〉、夕雲型駆逐艦〈玉波〉）に輸送任務を命じた。1月19日、神鷹は徳山沖で試運転を行うが、21日に呉へ回航された。結局、薄雲と玉波も別任務に投入されている。2月1日、護衛空母の飛行機隊の訓練・整備を担当する部隊として、第九三一海軍航空隊（司令大塚秀治中佐）が編成された。2月11日、神鷹の修理工事完了。3月以降、修理・訓練を終えた大鷹型空母各艦は、順次南西方面航路の護衛に投入された。3月25日、呉練習戦隊に所属していた香取型練習巡洋艦2隻（鹿島、香椎）より香椎が海上護衛総司令部部隊に編入された。神鷹は6月29日に第九三一海軍航空隊の九七艦攻14機を搭載。瀬戸内海で着艦訓練を実施（1機を事故で喪失）。7月6日附で、第一海上護衛司令官の作戦指揮下に入った。その後、神鷹はシンガポール航路の石油船団であるヒ船団の護衛に従事した。最初の護衛航海は、1944年（昭和19年）7月14日に門司出航のヒ69船団（輸送艦船14隻）だった。同行する空母3隻（大鷹、海鷹、神鷹）のうち対潜哨戒機を搭載していたのは神鷹のみである（大鷹、海鷹は航空機輸送任務。神鷹も局地戦闘機雷電10機を輸送）。旗艦は練習巡洋艦香椎（指揮官、第五護衛船団司令官吉富説三少将）、護衛部隊は6隻（香椎、神鷹、千振、佐渡、第七号海防艦、第十七号海防艦）。7月18日、第十七号海防艦が米潜水艦タイルフィッシュ (USS Tilefish, SS-307) の雷撃で中破。同艦は高雄市（台湾）に回航された。他に被害はなく、20日マニラ（フィリピン）着。ここで輸送用航空機を陸揚げした大鷹と海鷹はヒ69船団から分離（それぞれ別の船団に合流して内地へ帰投）。ヒ69船団は海防艦2隻（第13号、第19号）を加えて25日出港、31日にシンガポールへ到着した。航海中の7月16日午後、神鷹の搭載機が敵潜水艦を発見し護衛艦と共同撃沈したとの報告があるが、対応する米潜水艦はいない。8月2日、南西方面艦隊は損傷修理のため内地に帰投させる予定の軽巡洋艦北上（マニラ停泊中）をヒ70船団に同航させたいと申し入れた。第五護衛船団司令官は台湾海峡を通過すると通告する。そこで加瀬三郎北上艦長は、同艦をヒ70船団に途中合流させる旨を報告した。8月4日（8月5日）、ヒ70船団は護衛艦（練習巡洋艦〈香椎〉、空母〈神鷹〉、秋月型駆逐艦〈霜月〉、海防艦〈千振、佐渡、第13号、第19号〉）とタンカー8隻でシンガポールを出発。途中でマニラから来た軽巡北上が船団に加わる。8月12日、ヒ70船団の海防艦2隻（佐渡、13号）と神鷹の搭載機が米潜水艦撃沈を報告しているが、対応する艦は存在しなかった。佐渡はヒ70船団から分離後、馬公市でヒ71船団に合流した。8月15日、神鷹以下ヒ70船団は門司へ戻った。神鷹は呉へ、北上は佐世保へ、霜月は横須賀へ、それぞれ回航された。8月18日、ヒ71船団を護衛していた空母大鷹がアメリカの潜水艦の雷撃により撃沈された。神鷹と香椎が呉海軍工廠で修理・整備中の8月20日、日本海軍は旧第三水雷戦隊の戦力を基幹として、対潜掃蕩を主任務とする第三十一戦隊（司令官江戸兵太郎少将）を編成、連合艦隊に編入した。従来の第三水雷戦隊司令部（司令官中川浩少将）はサイパン島の戦いで全滅していたのである。整備を終えた神鷹も第三十一戦隊と行動を共にする。9月上旬、神鷹の整備は終了。神鷹は第八護衛船団司令官佐藤勉少将を指揮官とするヒ75船団に加わる。編成は、護衛部隊（空母〈神鷹〉、第30駆逐隊〈夕月、卯月〉、海防艦3隻〈三宅、満珠、干珠〉）、加入船舶（秋津洲、西貢丸、浅間丸、雄鳳丸、良栄丸、日栄丸、万栄丸、あまと丸、東邦丸、せりあ丸）からなった。9月8日、ヒ75船団はシンガポールを目指して日本本土（門司）を出撃した。9月11日午前9時、駆逐艦夕月と神鷹搭載機がアメリカの潜水艦撃沈を報告したが、対応艦はなかった。また神鷹搭載機が着艦に失敗して海中に転落、搭乗員は三宅に救助された。9月12日夕刻に浅間丸は台湾基隆市へ向かい、残るヒ75船団は9月13日に高雄市へ到着した。9月14日、護衛艦3隻（第十八号海防艦、水雷艇鵯、第28号掃海艇）と油槽船3隻（富士山丸、黒潮丸、大邦丸）を加えて出港する。9月17日、水上機母艦秋津洲と特設巡洋艦西貢丸、30駆司令澤村成二大佐指揮下の第30駆逐隊（夕月、卯月）はヒ75船団から分離してフィリピンマニラ港へ向かうが、このあと西貢丸は米潜水艦に撃沈され、秋津洲はコロン島（コロン湾）で空襲を受け撃沈された。9月22日、ヒ75船団はシンガポールに到着。シンガポール停泊中、神鷹搭載の九七式艦上攻撃機はマラッカ海峡やペナン沖で対潜掃蕩作戦を実施したが、戦果はなかった。続いて神鷹はシンガポール発のヒ76船団を護衛する。護衛艦（神鷹、倉橋、三宅、干珠、満珠、二八号、鵯）、加入船舶（常北丸、黒潮丸、東邦丸、冨山丸、タラカン丸、日栄丸、良栄丸、君川丸、せりあ丸）。10月2日（3日とも）、ヒ76船団はシンガポールを出撃。途中、元特設水上機母艦君川丸がアメリカの潜水艦ベクーナ (USS Becuna, SS/AGSS-319)の雷撃で損傷した。沖縄空襲（十・十空襲）や台湾沖航空戦を避けるため10月11日より三亜港（海南島）に避退・待機。15日（16日）に出発するが、アメリカ軍機動部隊のフィリピン空襲を受けて海南島に引き返した。10月18日、あらためて海南島を出港。一部部隊（倉橋、二八号、日栄丸、良栄丸）等はリンガ泊地に在泊していた第一遊撃部隊（指揮官栗田健男第二艦隊司令長官、旗艦愛宕）の命令により船団から分離、三亜港にとどめられた。タンカー2隻（日栄丸〔コロン湾着〕、良栄丸〔馬公市着〕）はレイテ湾へ向かう第一遊撃部隊（栗田艦隊）や第二遊撃部隊（指揮官志摩清英第五艦隊司令長官、旗艦那智）に燃料補給を実施した。10月22日、台湾海峡南岸でB-24爆撃機の触接を受け神鷹は船団から分離して先行、残る船団(帝北丸、新東邦丸、黒潮丸）等は馬公市に退避した。24日六連（山口県）を経て25日佐伯市（九州大分県）に到着した。搭載14機のうち、航海中に3機を喪失している。神鷹は10月26日から11月6日まで呉海軍工廠で修理を実施した。1944年（昭和19年）11月中旬、神鷹はマニラ行きの軍隊輸送船（第23師団）と、シンガポール行きのタンカーで編成されたヒ81船団の護衛任務に従事する。船団指揮官は第八護衛船団司令官佐藤勉少将。ヒ81船団は、護衛艦艇（海防艦〈對馬、択捉、昭南、久米、大東、第九号、第六一号〉、空母〈神鷹〉、松型駆逐艦〈樫〉）、加入船（聖川丸〔旗艦〕、摩耶山丸、吉備洋丸、あきつ丸、神州丸、タンカー〈音羽山丸、東亜丸、みりい丸、ありた丸、橋立丸〉）によって編成されていた。当事の神鷹乗組員定員は948名で、便乗者推定約1200名が乗艦した。日本軍（大本営、日本陸軍）はノモンハン事件で敢闘した第23師団に大きな期待を寄せており、マニラ到着後は直ちにレイテ島地上戦に投入予定であった。1944年（昭和19年）11月13日、ヒ81船団は門司を出撃した。神鷹は船団最後尾につき、駆逐艦樫が直衛についた。大井篤によれば、石井少将（神鷹艦長）は僚艦（大鷹、雲鷹）の仇を討ちに行くと意気込んでいたという。九州の伊万里湾から東シナ海を横断し、中国東岸の舟山列島の経由でマニラ・シンガポール方面へ向かった。ところが、対馬海峡付近でアメリカ軍の潜水艦群に完全に探知されてしまった。11月15日、五島列島西の海上で陸軍特殊船あきつ丸（戦史叢書表記では秋津丸。四式肉薄攻撃艇約100隻積載）がアメリカの潜水艦クイーンフィッシュ(USS Queenfish, SS/AGSS-393)の雷撃で撃沈された。沈没地点北緯33度17分 東経128度11分。戦死者2300名以上。このため船団は危険を感じ途中で針路を変え、巨済島や済州島の島影に避泊しながら舟山列島を目指し航行を続けた。だが再びアメリカ軍の大型機に遭遇、通報された。神鷹は高角砲射撃を行うが命中しなかった。11月17日18時12分、陸軍特殊船摩耶山丸（9433トン）が北緯32度17分 東経124度45分地点で、アメリカの潜水艦ピクーダ (USS Picuda, SS-382) の雷撃に遭い沈没した。戦死者2000名以上に加え、第23師団の司令部要員多数が戦死、師団司令部は機能を喪失した。当事、夜間となり神鷹搭載の九七艦攻は着艦を余儀なくされていた。同日23時、船団より神鷹に「右45度、怪シキ黒影見ユ」の連絡があり、神鷹は樫に「45度、敵潜水艦ラシキモノ見ユ、掃討セヨ」を発信した。ところが23時5分、アメリカのバラオ級潜水艦のスペードフィッシュ (USS Spadefish, SS-411) が発射した魚雷6本のうち4本が神鷹の右舷に命中した。この魚雷の爆発によって航空機用燃料槽が爆発、大量のガソリンの爆発により大火災が発生。被雷から約10分後、神鷹の石井艦長は総員退去を命令した。退艦命令発令から約20分後、神鷹は艦尾から沈没した。沈没地点記録北緯32度59分 東経123度18分。もしくは北緯33度02分 東経123度38分。神鷹の生存者は61名、戦死認定は石井少将（中将へ進級）以下1165名であった。あきつ丸、摩耶山丸、神鷹の沈没により第二十三師団はフィリピン地上戦投入前に大損害を受け、その後のレイテ島地上戦に多大な影響を与えた。1945年（昭和20年）1月10日、神鷹は大鷹型航空母艦、帝国軍艦籍籍のそれぞれから除籍された。。