1944年10月，由栗田健男海军中将率领包括武藏在内的第2舰队从婆罗洲北部的斯里巴加湾出发参加莱特湾海战，企图攻击位于莱特湾的盟军登陆舰队。1944年10月24日进入菲律宾锡布延海，10时30分遭到美军航空母舰飞机攻击。“武藏”号成为美军飞机主要攻击目标之一。
“武藏”被第一枚鱼雷命中时，相当于400公斤黄色炸药的爆炸。虽然对可承受500公斤黄色炸药打击的舰体所造成的损害微不足道，但爆炸产生的震动却造成主炮方位盘出现故障（瞄准装置的失灵使“武藏”主炮无法齐射，其舰长猪口敏平与舰同沉前留下遗书中都不忘要求改进主炮方位盘）。
第二轮空袭中“武藏”被3枚鱼雷命中左舷，向另侧舷部分舱室注水，航速尚能保持22节，由于舰体破损增大了阻力，“武藏”还是渐渐脱离了编队。三轮空袭之后，“武藏”号向左倾斜10度，脱离编队。15时孤立的“武藏”成为空袭的重点，接二连三地被鱼雷、炸弹命中。“武藏”总共被19枚鱼雷和17颗航空炸弹击中。19时15分，由于倾斜增大且无法控制，下达弃舰的命令。
“武藏”于19时35分倾覆沉没，沉没水域位于北纬13度7分，东经122度32分。
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