Vào năm 1941, dưới sự chỉ huy của thuyền trưởng Tomeo Kaku, Hiryū được biên chế vào Hạm đội Tàu sân bay 2. Vào ngày 7 tháng 12 năm 1941 nó cùng Hạm đội đặc nhiệm tham dự trận Trân Châu Cảng. Nó tung ra một đợt không kích nhắm vào đảo Oahu: mười chiếc B5N Kate nhắm vào các thiết giáp hạm Arizona và California, tám chiếc B5N Kate nhắm vào chiếc West Virginia, Oklahoma và Helena, trong khi đó sáu chiếc A6M Zero tấn công các sân bay Wheeler và Barbers Point.

Từ ngày 21 đến ngày 23 tháng 12 năm 1941, Hiryū tung ra các đợt không kích nhắm vào đảo Wake. Vào tháng 1 năm 1942 nó hỗ trợ cuộc chiếm đóng Ambon tại quần đảo Maluku. Vào ngày 19 tháng 2, cùng với con tàu chị em Sōryū, Hiryū tung ra đợt không kích vào Darwin (Úc)‎.

Vào tháng 3 năm 1942 nó tham gia Trận chiến biển Java, tấn công tàu bè quân Đồng Minh tại Cilacap Regency và đảo Christmas, đánh chìm tàu buôn Hà Lan Poelau Bras. Vào tháng 4 năm 1942, Hiryū tham gia trận Không kích Ấn Độ Dương, tung ra các đợt không kích vào các căn cứ của Hải quân Hoàng gia Anh ở Colombo và Trincomalee tại Sri Lanka, hỗ trợ đánh chìm các tàu tuần dương Cornwall và Dorsetshire cùng tàu sân bay Hermes & tàu khu trục Úc HMAS Vampire đi theo hộ tống.

Vào ngày 19 tháng 4 năm 1942 nó truy đuổi các tàu sân bay Mỹ Hornet và Enterprise sau cuộc Không kích Doolittle, nhưng không thành công.

Trận Midway

Vào tháng 5 năm 1942, Hiryū bắt đầu chuyến hải hành cuối cùng. Lực lượng máy bay của nó bao gồm 21 máy bay tiêm kích A6M "Zero", 21 máy bay ném bom bổ nhào Aichi D3A "Val" và 21 máy bay ném bom-ngư lôi Nakajima B5N "Kate". Vào ngày 4 tháng 6 năm 1942 nó tham gia trận Midway,khi tung ra đợt tấn công vào đảo Midway lúc 4 giờ 30 sáng, tiêu diệt các máy bay và phá hủy căn cứ. Sau khi những con tàu sân bay Kaga, Sōryū và Akagi bị loại khỏi vòng chiến do không kích, khoảng 10 giờ 25 phút, Hiryū là chiếc tàu sân bay Nhật duy nhất còn lại. Nó tung ra hai đợt tấn công vào lúc 10 giờ 50 phút và 12 giờ 45 phút bằng bom và ngư lôi nhắm vào chiếc Yorktown, gây hư hại nặng (Yorktown bị đánh chìm sau đó bởi tàu ngầm Nhật I-168).[1]

Các máy bay trinh sát Nhật đã tìm thấy các tàu sân bay Mỹ còn lại, và mọi máy bay còn sống sót của Hạm đội Tàu sân bay đã hạ cánh trên chiếc Hiryū để được vũ trang và tiếp nhiên liệu; nhưng trong khi đang chuẩn bị tung ra đợt tấn công thứ ba, Hiryū bị tấn công lúc 17 giờ 03 phút bởi 42 chiếc máy bay ném bom bổ nhào SBD Dauntless từ các tàu sân bay Enterprise và Hornet. Nó bị đánh trúng bốn quả bom 453,6 kg (1.000 lb), ba quả phía trước sàn đáp và một quả trúng (hoặc nổ) gần thang nâng phía trước. Các vụ nổ đã làm bùng lên các đám cháy trên những chiếc máy bay trong sàn chứa.

Cho dù động cơ của chiếc Hiryū không bị ảnh hưởng, các đám cháy đã không thể kiểm soát được. Vào lúc 21 giờ 23 phút các động cơ của nó ngừng hoạt động, và đến 1 giờ 58 phút rạng sáng ngày 5 tháng 6 một tiếng nổ lớn làm rung chuyển con tàu. Lệnh bỏ tàu được đưa ra không lâu sau đó, và những người còn sống sót được cứu vớt bởi các tàu khu trục Kazagumo và Makigumo. Chuẩn Đô đốc Yamaguchi Tamon và thuyền trưởng Kaku đã ở lại trên tàu Hiryū khi nó bị đánh chìm lúc 5 giờ 10 phút sáng bởi ngư lôi phóng ra từ chiếc Makigumo. Nó chìm lúc 9 giờ 12 phút, mang theo 35 người cùng 350 người khác bị giết bởi bom, các vụ nổ và đám cháy trên tàu. 35 người được Hải quân Hoa Kỳ vớt được và bị bắt làm tù binh. Quyết định khăng khăng đi theo con tàu của Đô đốc Yamaguchi khiến Hải quân Nhật mất đi một trong những đô đốc xuất sắc và nhiều kinh nghiệm của họ.