Tuy nhiên, đến năm 1944, nó đã bị buộc phải phục vụ ở tiền tuyến, phục vụ như là tàu hàng đầu của Lực lượng phía Nam của Phó Đô đốc Shōji Nishimura trong Trận chiến eo biển Surigao, hành động phía nam nhất của Trận chiến vịnh Leyte.
. Trong trận chiến đêm dữ dội vào đầu giờ ngày 25 tháng 10 chống lại một lực lượng Mỹ và Úc vượt trội, "Yamashiro" đã bị đánh chìm bởi ngư lôi và súng hải quân. Nishimura chìm cùng với con tàu của mình, và chỉ có 10 thành viên thủy thủ đoàn sống sót.