Cả Chitose lẫn chiếc tàu sân bay chị em với nó là Chiyoda đều bị đánh chìm bởi sự kết hợp của bom, pháo từ các tàu tuần dương và ngư lôi từ các khu trục hạm trong Trận chiến vịnh Leyte. Căn cứ vào kế hoạch của chiến dịch Sho-ichi go, cả hai chiếc tàu sân bay được cho di tản hết máy bay và được sử dụng làm mồi nhữ một cách rất thành công lực lượng tàu sân bay chủ yếu của hạm đội Mỹ ra khỏi các bãi đổ bộ trên bờ biển Philippines. Chitose bị đánh chìm bởi ngư lôi trong đợt tấn công thứ nhất của Lực lượng Đặc nhiệm TF 38 do máy bay cất cánh từ tàu sân bay Essex ngoài khơi mũi Engano.

Lúc 08 giờ 35 phút, Chitose trúng phải ba ngư lôi và các quả bom ném gần trúng bên mạn trái phía trước thang nâng số 1. Điều này khiến cho các khoang nồi hơi số 2 và số 4 bị ngập và con tàu bị nghiêng ngay lập tức 27 độ và hỏng bánh lái. Dần dần độ nghiêng được giảm bớt còn 15 độ, nhưng đến 08 giờ 55 phút có thêm các khoang khác bị ngập làm cho nó nghiêng thêm đến 20 độ. Lúc 08 giờ 55 phút, khoang động cơ bên phải bị ngập nước khiến vận tốc giảm xuống còn 14 knot. Khoang động cơ bên phải tiếp nối bị ngập theo lúc 09 giờ 25 phút, và chiếc Chitose chết đứng giữa biển với độ nghiêng 30 độ. Lúc 09 giờ 37 phút ở tọa độ 19°20′B 126°20′Đ / 19,333°B 126,333°Đ / 19.333; 126.333, nó bị lật úp qua mạn trái và chìm mũi xuống trước với tổn thất lên đến 903 người kể cả thuyền trưởng Yoshiyuki Kishi. Tàu tuần dương Isuzu cứu được 480 người, và tàu khu trục Shimotsuki vớt được thêm 121 người nữa.