カリフォルニアでの慣熟訓練の後、ナトマ・ベイは1944年1月3日までサンディエゴとハワイ間での航空機輸送に従事した。輸送任務を終えると、ナトマ・ベイは第63混成航空隊を乗せ、サンディエゴを出港して真珠湾に向かった。1月10日付けで第5水陸両用部隊中の第24護衛空母群に加わったナトマ・ベイは、第51.2任務隊とともにマーシャル諸島攻撃のため出撃した。1月31日から2月7日まではマジュロの確保の支援に努め、各種哨戒任務に就いた。2月8日、ナトマ・ベイの航空機はウォッジェ環礁とマロエラップ環礁を攻撃し、2月の残りの期間はマジュロ周辺で行動した。3月7日、ナトマ・ベイはマジュロを出港し、3月12日にエスピリトゥサント島に到着した。3日後、第37任務部隊に合流したナトマ・ベイは、3月19日から20日にかけてカビエンに対して空襲を行った。続いてニューアイルランド島沖と北部ソロモン諸島海域を行動し、エミラウ島に対する上陸作戦（エミラウ島の無血占領）を支援した。続く三週間もの間、ナトマ・ベイはラバウルに立てこもる日本軍に圧力を加え続けるため、ソロモン海域とビスマルク諸島海域の間を行動した。4月19日、ナトマ・ベイは第78任務部隊に転じ、ニューギニアの戦いの一環であるアイタペの戦いとホーランジアの戦いを支援し、4月22日にアイタペ、ホーランジアおよびタナメラ湾に対する攻撃を行った。上陸作戦が行われた後、ナトマ・ベイはアイタペ地域で空中哨戒を行い、戦闘機と攻撃機を送り込んだ。ナトマ・ベイはエンジン修理のためマヌス島に下がることとなり、4月28日に帰投。一息ついた後の5月7日にマヌス島を出港して、5月18日に真珠湾に到着した。修理を終えたナトマ・ベイは、第7空軍宛てのP-47 サンダーボルト37機を積み込み、6月5日に真珠湾を出港してマリアナ諸島方面に向かった。途中、エニウェトク環礁に立ち寄り、6月19日のマリアナ沖海戦の大勢が判明するまではサイパン島の東方洋上で待機するよう命令された。6月22日、ナトマ・ベイは25機のサンダーボルトを、占領したばかりのイズリー飛行場に向けて発進させた。翌23日、ナトマ・ベイは洋上給油のため、サイパン島の東方45マイルの地点に向かった。しかし、ナトマ・ベイはそこで日本機の空襲に遭遇する。ナトマ・ベイおよびマニラ・ベイ (USS Manila Bay, CVE-61) は空襲の主目標となったが、徹底的な対空砲火で被害を防ぎ、またナトマ・ベイに格納してあったサンダーボルトを一時しのぎの空中哨戒のため緊急発進させた。ナトマ・ベイは6月27日にエニウェトク環礁に到着し、負傷者を収容してサンディエゴに針路を向け、7月16日に到着した。
西暦2201年後半、熾烈を極めた白色彗星帝国との戦いから1か月後、ヤマトと別れたデスラー率いるガミラス帝国残存艦隊が、新天地を探す旅に発つ前に今は無人となった母星ガミラスに最後の別れのために立ち寄ったところ、謎の勢力である暗黒星団帝国が地下物質ガミラシウムを無断で採掘していた。これに激怒したデスラーが交戦した結果、ガミラス星は大爆発を起こして消滅する。それにより、連星を構成していたイスカンダル星は引力のバランスを崩して宇宙空間を漂流し始める。デスラーは愛するスターシャのいるイスカンダルをただちに追跡するが、暗黒星団帝国のデーダー率いる第一艦隊も、イスカンダリウムを目的としてイスカンダルを追撃していた。デスラーはスターシャにイスカンダルからの脱出を呼びかけるが、彼女とその夫である古代守はイスカンダルと運命を共にする覚悟を決めていた。そして速度が限界に達したイスカンダルは、ワープしてしまう。その頃、地球では修復されたヤマトに乗艦した新たな乗組員たちが、艦長代理の古代進のもとで試験航海を兼ねた訓練航海に出航し、猛訓練に励んでいた。デスラーから送られてきた救援を求める通信によりイスカンダルの危機を知ったヤマトは、スターシャと守を救助するためにイスカンダルへ向かう。デスラー艦隊はイスカンダルを追って銀河系の重力星雲まで到達し、デーダー艦隊の奇襲を受ける。艦隊をほぼ全滅させられたデスラーは死を覚悟するが、そこにヤマトが現れてデーダー艦隊を撃滅する。その後、ヤマトとデスラー艦隊はイスカンダルの追跡を続け、ついにイスカンダルが停止するが、暗黒星団帝国マゼラン方面軍を束ねるメルダーズが乗る巨大機動要塞の自動惑星ゴルバが現れ、スターシャと守を人質に取ってヤマトに立ち去るよう要求する。ゴルバの圧倒的な性能の前になすすべもなかったが、デスラーは乗艦をゴルバの主砲口に突貫させ、自分ごと破壊させるべくヤマトに波動砲を撃つよう指示する。苦悩の末、古代は波動砲の発射を決断したするが、発射直前にスターシャが降伏を宣言し、戦闘を止める。そして、スターシャはイスカンダルから脱出することをヤマトに伝えるが、実際に脱出してきたのは守と、彼とスターシャの間に生まれた娘サーシャの2人だけだった。ゴルバがイスカンダルに降り立とうとした時、イスカンダルは自爆してゴルバごと消滅した。スターシャはイスカンダリウムの悪用を認めるわけにはいかず、自分ごと宇宙から消し去ったのである。狂乱するデスラーと、敬礼をもってスターシャを見送るヤマト乗組員の前に、スターシャの幽体が現れる。スターシャはヤマトとデスラーに感謝して守に謝罪の意を伝え、サーシャの幸せを祈りながら姿を消した。戦いが終わった後、進とデスラーはそれぞれの乗艦の甲板に立ち、会話を交わす。デスラーは母星を失った空しさを語りながらも、必ず新天地を見つけると告げて去って行った。そして、ヤマトは守とサーシャを乗せて地球へ帰還する。しかし、そのヤマトに冷ややかな視線を送る者がいた。暗黒星団帝国は、地球にも狙いを定めていたのだ。