重雷装艦
そして1941年(昭和16年)に入って「北上、大井」の2隻の改装工事が始まり、主砲や副砲の撤去の他艦橋の拡大等々船体自体も大規模な工事が施され、片側だけでも61cmの4連装魚雷発射管が5基20門、両方合わせて10基40門も搭載された(詳しくは下記の艦名の項目参照)。 これだけの魚雷攻撃が出来る艦は未だかつて無かったが、直後の太平洋戦争では戦艦や艦隊決戦ではなく空母及び航空機が新たに戦争の主役となり、重雷装艦の活躍する場はもはや無く存在意義は無くなったも同然であった。同年11月17日の昭和天皇裁可により、軽巡2隻(大井、北上)は11月20日付で第九戦隊(司令官岸福治少将)を新編、第一艦隊に編入された。 1942年(昭和17年)1月2日、第九戦隊(大井、北上)は呉に入港した。12日に「大井」(第九戦隊旗艦)を視察した宇垣纏連合艦隊参謀長は『参謀連は只後衛の不足を補はんとす。一理なきに非ざるも、餘は本艦の特質發揮即ち魚雷力の利用価値發揮を主眼として在り、森下同艦長の意見も略同様なり。更に戦隊を分割し、個艦的に異射點射法を畫するも研究すべきなり。』と本型の使用方法について模索している。
改装直後の第九戦隊の初任務は、陸軍第二師団の台湾輸送任務護衛だった。その後も2隻は警戒部隊や、高速輸送艦としての任務に従事した。