1944年10月20日からのレイテ沖海戦で、多摩は小沢治三郎中将率いる囮艦隊に加えられた。10月25日のエンガノ岬沖海戦で、小沢囮艦隊は空母エンタープライズ・エセックス・イントレピッド・フランクリン・レキシントン・インディペンデンス・ベロー・ウッド・ラングレー・カボット・サン・ジャシントからなる第38任務部隊の攻撃を受けた。多摩はベロー・ウッドのVT-21、サン・ジャシントのVT-51の雷撃機TBF アヴェンジャーによる攻撃をうけ、Mk13魚雷が第2機関室を直撃して大破した。多摩は応急修理を受け、軽巡洋艦五十鈴に護衛されて戦線を離脱した。しかし、五十鈴は被弾した空母千代田の掩護を要請されたため、多摩は駆逐艦霜月の護衛を受けた。その霜月も空母瑞鳳の掩護に回る事になったため、多摩は単独で14ノットで沖縄へ向けて航行した。ルソン島の北西で、多摩はアメリカ海軍の潜水艦ジャラオ (USS Jallao, SS-368) のレーダーに捉えられた。ジャラオにとってはこれが初の哨戒であった。距離1000ヤード(910m)で艦首から発射した3発の魚雷は全て外れたが、距離800ヤード(730m)でジャラオの艦尾から放った4発の魚雷のうち3発が多摩に当たり、2発が爆発した。それから数分後、多摩は北緯21度23分 東経127度19分の地点で2つに折れて沈没した。多摩の艦長以下総員が未帰還となった。多摩は1944年12月20日に除籍された。多摩の沈没から70年を経た2014年10月25日、多摩の艦内神社であった大国魂神社（東京都府中市）にて、多摩に乗り組んでいた戦没者慰霊式が初めて執り行われ、2017年時点でも毎年続いている。同神社は境内に慰霊碑を建立しているほか、乗組員とその遺族探しを行っており、2017年時点で乗組員49名が判明している。
海戦の指揮の不手際により細萱中将は第五艦隊司令長官を更迭され、後任に河瀬四郎中将が就任した
多摩は4月26日まで幌筵島で待機、29日幌筵発、5月4日に舞鶴に入港し、舞鶴海軍工廠で修理を行った
そのため、多摩はアッツ島の戦いには参加していない
20日舞鶴発、23日に片岡湾(幌筵島)へ戻り、6月18日まで幌筵島に所在する
同日出港、21日大湊に帰着、7月1日大湊発、5日幌筵に進出した
7月7日のキスカ島撤退作戦では、撤退に参加するのに多摩の機関では心許ないとして、幌筵島で待機させられた
この日はキスカ島到着前に霧が晴れたため、突入を断念した
7月25日の再出撃の際は、「督戦のため」と称して河瀬四郎司令長官を始めとする第五艦隊司令部が多摩に座乗し、実行部隊に同行した
多摩は7月31日幌筵島に帰投した
8月5日附で第12航空戦隊と第5艦隊で北東方面艦隊が編成され、多摩を含む第5艦隊もその所属となった
多摩は8月25日まで幌筵島にあり、30日大湊に帰着した

アメリカ軍の攻撃に際して問題となったのは、トラック島に関する地形情報を殆ど持っていないことであった。そこで、アメリカ軍は2月4日から航空機、潜水艦によりトラック周辺の偵察を実施した。偵察の結果などを踏まえ、アメリカ艦隊の作戦計画は以下のように決められた。第50任務部隊の行動要領は、2月12日-13日にメジュロ環礁を出撃とされた。15日にエニィタニック島北側海面で補給部隊と会合し、補給を実施する。そして、16日午後から、30ノットにて目標への接近を開始、出来るだけ日本軍の航空哨戒圏を避けつつ17日払暁に攻撃隊発進点であるトラック諸島東部200海里の地点に到達する。航空・水上攻撃要領として、まず日本軍の防空能力を奪うため、最初の攻撃目標は航空基地とされた。航空機破砕性集束爆弾（Fragmentation Cluster）と集束焼夷弾（Incendiary Cluster）を使用して攻撃効果の拡大を図った。制空権を確保した後、艦船や地上施設を攻撃目標とする本格攻撃に移行する計画だった。攻撃は、17日と18日の2日間に渡って徹底して実施する。このため、空母群は攻撃目標の100海里圏内に止まるように行動する。一方、第58.3任務群（TG58.3）の戦艦部隊は、本格攻撃開始後に第50.6任務群（TG50.6）となり、ウィリス・A・リー少将の指揮の下でトラック環礁水道を制圧し日本艦船の脱出を阻止するよう分離行動する予定であった。なお、作戦に際しての制約条件としてトラックの破壊は徹底して実施しなければならないが、損害は極限しなければならないと言うものがあった。これは、太平洋方面での本格的な侵攻が始まって間もなく、攻略すべき拠点を多数抱えていた事情による。吉田昭彦によれば、上述の高速での接近（実際には30ノットで航行したのは16時間）などはそうした条件を満たすための行動であり、ガダルカナル、ソロモンの戦いにて日本軍が実施した東京急行（駆逐艦による夜間高速輸送）のひそみに倣ったものだと言う。2月9日、レイモンド・スプルーアンス大将は旗艦を重巡洋艦インディアナポリスから新型戦艦ニュージャージーに変更した。トーマス・B・ブュエルによれば、レイモンド・スプルーアンスがこの戦いの際に旗艦を空母から戦艦へ変更した理由は、環礁を攻撃すれば、在泊しているはずの大型艦艇多数を捕捉し、一戦交えることが出来ると考えたからであった。他に、戦艦を環礁至近に接近させ、直接的に優越の誇示を行って戦意喪失を図る旨を語っていたとされ、また、スプルーアンスの戦艦砲撃戦に対する執着などが指摘されている。スプルーアンスは通常は艦隊の指揮を隷下の指揮官に任すようにしていたが、この時はそれをせず、14日のTF58との合流後は自分で指揮を執り、ミッチャーに指揮を任せたのは17日朝の攻撃隊発進直前であった。なお、航空戦に関する助言者としてボールディ・パウノールが旗艦に乗艦していた。その助言は非常に役に立ったとスプルーアンスは語っている。