1944年10月，由慄田健男海軍中將率領包括武藏在內的第2艦隊從婆羅洲北部的斯里巴加灣出發參加萊特灣海戰，企圖攻擊位於萊特灣的盟軍登陸艦隊。1944年10月24日進入菲律賓錫布延海，10時30分遭到美軍航空母艦飛機攻擊。“武藏”號成為美軍飛機主要攻擊目標之一。
“武藏”被第一枚魚雷命中時，相當於400公斤黃色炸藥的爆炸。雖然對可承受500公斤黃色炸藥打擊的艦體所造成的損害微不足道，但爆炸產生的震動卻造成主炮方位盤出現故障（瞄準裝置的失靈使“武藏”主炮無法齊射，其艦長豬口敏平與艦同沉前留下遺書中都不忘要求改進主炮方位盤）。
第二輪空襲中“武藏”被3枚魚雷命中左舷，向另側舷部分艙室注水，航速尚能保持22節，由於艦體破損增大了阻力，“武藏”還是漸漸脫離了編隊。三輪空襲之後，“武藏”號向左傾斜10度，脫離編隊。15時孤立的“武藏”成為空襲的重點，接二連三地被魚雷、炸彈命中。“武藏”總共被19枚魚雷和17顆航空炸彈擊中。19時15分，由於傾斜增大且無法控制，下達棄艦的命令。
“武藏”於19時35分傾覆沉沒，沉沒水域位於北緯13度7分，東經122度32分。
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