В июле "Ямаширо" прошел докование, текущий ремонт, совмещенный с модернизацией, на верфи в Иокосуке. На корабле установили ещё одну радиолокационную станцию "Тип 21" и две радиолокационных станции обнаружения надводных кораблей и управления артиллерийским огнем "Тип 22". Скорее всего, в этот же период на борту линкора установили систему опознавания "свой-чужой" "Тип 2", основанную на основе немецких разработок. Усилили малокалиберную зенитную артиллерию. После завершения работ на борту корабля находилось 66 25-мм зенитных автоматов (8-трехствольных, 9 спаренных, и 24 одноствольных). 10 августа работы окончили, 12-14 августа состоялся межбазовый переход из Йокосука в Куре, в составе соединения, в которое входили эскортный авианосец "Уньё" ("Unyo") и 2 эсминца. С 14 августа по 10 сентября "Ямаширо" прошел ускоренный курс боевой подготовки. 10 сентября линкор становится флагманом 2-й дивизии линкоров и на нем подняли флаг вице-адмирала С. Насимуры.
23 сентября 1944 года линейный корабль навсегда покинул японские воды. Рядом с ним шли однотипный "Фусо" и 4 эсминца. 24 сентября японская эскадра была атакована вражеской подводной лодкой "Плейс" (SS-390), которая выпустила шеститорпедный залп, но ни одна из торпед целей не нашла. 26 сентября в Южно-Китайском море японские корабли обнаружила американская подводная лодка "Памфрет" (SS-391), но из-за высокой скорости целей ей выйти в атаку не удалось. На следующий день соединение заметила подлодка "Флэшер" (SS-249), но и ей не удалось занять позицию для атаки.
4 октября "Ямаширо" с эскадрой прибыл на рейд Линнга, вблизи Сингапура. С 18 по 20 октября они перебазировались в бухту Бруней на острове Борнео и 22 октября вышли в море в рамках операции "Шо-И-ГО". 24 октября "Соединение С", флагманом которого был "Ямаширо", обнаружено вражеской авиаразведкой. Начались безуспешные атаки палубной авиации (не значительные повреждения получил линкор "Фусо").
25 октября 1944 г.японские корабли вошли в пролив Суригао. В 2 ч 45 мин на экранах радиолокационных станциях американских эсминцев появились отметки о цели. Дистанция ло нее составила 15 миль. Через 5 мин японское соединение было атаковано 35 торпедными катерами. Линкоры открыли огонь противоминным калибром, а эсминцы их охранения подсвечивали цели, благодаря чему один из снарядов "Ямаширо" повредил торпедный катер "РТ 495". Он вышел из боя, попытался выброситься на ближайшею отмель, но в конце концов затонул.
В 2 ч 56 мин сигнальщики эсминца "Сигуре" обнаружили вражеские эсминцы и предприняли попытку подсветить их, но "янки" были слишком далеко. В свою очередь американцы произвели торпедный залп, и одна из торпед поразила "Фусо". В 3 ч 10 мин в торпедную атаку вышли американские эсминцы "Мак Дермит" (DD 677) и "Монсин" (DD 798). Одна из торпед "Монсина" поразила "Ямаширо". После взрыва на борту линкора вспыхнули пожары, которые приближались к погребам боезапаса. Командир линкора принял нелегкое решение затопить два погреба. В результате этого без снарядов остались две башни главного калибра. Во время этой атаки японское соединение лишилось трех эсминцев.
В 3 ч 25 мин в атаку на осколки "Соединения С" устремились 14 вражеских эсминцев. Командир эсминца "Киллен" (DD 593) приказал установить глубину хода торпед 6,7 м, и после залпа одна из них поразила "Ямаширо" в центральную часть по левому борту. Скорость линкора упала до 5 узлов. Но к 3 ч 36 мин её удалось увеличить до 18 узлов.
В 3 ч 51 мин в бой вступили американские крейсера. Вскоре к ним присоединились линкоры "Калифорния" (ВВ 33), "Пенсильвания" (ВВ 38), "Миссиссиппи" (ВВ 41), "Теннесси" (ВВ43), "Мэриленд" (ВВ46), "Вест Виржиния" (ВВ 48). Все они, за исключением "Миссиссиппи" были ветеранами Перл-Харбора.
"Пенсильвания" не смогла открыть огонь, радиолокационная станция была устаревшей и не могла производить распознавание целей. Остальные американские линкоры открыли интенсивный огонь. "Ямаширо" шел через стену разрывов, получая все новые и новые повреждения, он горел, его надстройки были освещены огнем пожаров. Орудия японского линкора вели ответный, но весьма неточный огонь. Скорость линкора упала до 12 узлов.
Между 4 ч 3 мин и 4 ч и 5 мин в атаку на линкор вышли эсминцы 56 дивизиона. Они шли через стену японских и американских разрывов снарядов, получая попадания с обеих сторон. Им все-таки удалось выйти в точку залпа и выстрелить 13 торпедами с дистанции 5670 метров. В 4 ч 9 мин адмирал Олдендорф приказал прекратить огонь. На "Миссиссиппи" команду не услышали, и он еще несколько минут продолжал вести огонь.
В 4 ч 11 мин 2 торпеды выпущенные эсминцем "Ныокомб" (DD-586) поразили "Ямаширо", и в 4 ч 19 мин, весь охваченный огнем, он затонул.