Trong Chiến tranh Thế giới thứ hai, để bù đắp phần nào sự mất mát lực lượng tàu sân bay sau trận Midway, cả hai chiếc thiết giáp hạm trong lớp được cải biến một phần thành tàu sân bay lai thiết giáp hạm vào năm 1943. Những chiếc trong lớp Ise có ưu thế phần nào về tốc độ so với lớp Fusō nên chúng được chọn; và cũng vì một vụ nổ tháp súng của chiếc Hyūga chưa được sửa chữa.

Các tháp pháo phía sau được thay thế bởi một sàn chứa máy bay và bên trên là một sàn đáp, đồng thời các khẩu đội phòng không cũng được bổ sung. Ví dụ như Hyūga có thể mang theo 14 chiếc máy bay ném bom bổ nhào Yokosuka D4Y và 8 chiếc thủy phi cơ Aichi E16A. Tuy nhiên, tình trạng thiếu hụt máy bay và phi công đã khiến cho cả hai con tàu chưa bao giờ tham gia tác chiến trong vai trò tàu sân bay. Cả hai chiếc đều bị hư hại trong Trận chiến mũi Engaño ngày 25 tháng 10 năm 1944.

Những chiếc tàu chiến quay trở lại ụ tàu hải quân ở Kure để sửa chữa, và không còn tham gia bất kỳ chiến dịch nào khác. Chúng bị máy bay Mỹ tấn công trong nhiều đợt khác nhau, và bị đánh chìm tại nơi neo đậu trong vùng nước nông.