Trân Châu Cảng và Midway

Vào lúc bắt đầu Thế Chiến II, Nagato dưới quyền chỉ huy của thuyền trưởng Yano Hideo, và cùng với chiếc thiết giáp hạm chị em với nó là chiếc Mutsu hình thành nên Đội Tàu thiết giáp 1. Nagato là soái hạm của Hạm đội Liên Hợp, cắm cờ hiệu của Đô đốc Isoroku Yamamoto. Vào ngày 2 tháng 12 năm 1941, chính chiếc Nagato đã gửi đi bức điện "Niitakayama nobore 1208" (leo núi Niitaka vào lúc 12/08 giờ Nhật Bản) ra hiệu lệnh cho Lực lượng Đặc nhiệm Tàu sân bay tấn công Trân Châu Cảng đánh dấu việc Nhật Bản mở màn chiến cuộc ở Mặt trận Thái Bình Dương.

Vào ngày 12 tháng 2 năm 1942, Đô đốc Yamamoto chuyển cờ hiệu của ông sang chiếc thiết giáp hạm mới Yamato.

Trong trận Midway, Nagato lên đường cùng với các thiết giáp hạm Yamato và Mutsu, tàu sân bay Hosho, tàu tuần dương Sendai, chín tàu khu trục và bốn tàu hỗ trợ như là lực lượng chính của Đô đốc Yamamoto vào tháng 6 năm 1942 nhưng đã không tham gia tác chiến. Nó quay trở về Nhật Bản cùng với những người trên chiếc tàu sân bay Kaga còn sống sót được cứu vớt.

Trong năm 1943, dưới sự chỉ huy của Thuyền trưởng Hayakawa Mikio, Nagato đặt căn cứ tại Truk trong quần đảo Caroline Islands. Sau cuộc triệt thoái khỏi Truk vào tháng 2 năm 1944, nó đặt căn cứ tại Lingga gần Singapore.

Trận chiến biển Philippine và Hải chiến vịnh Leyte

Vào tháng 6 năm 1944 nó tham gia vào Chiến dịch A-Go, một cuộc tấn công vào lực lượng Đồng Minh trong quần đảo Mariana. Trong trận đánh biển Philippine diễn ra vào ngày 19 tháng 6 năm 1944, nó bị máy bay Mỹ tấn công nhưng không bị thiệt hại.

Vào tháng 10 năm 1944, nó tham gia vào chiến dịch Shō-1 tấn công lên lực lượng đổ bộ Đồng Minh lên đảo Leyte. Vào ngày 24 tháng 10 năm 1944 trong trận chiến biển Sibuyan, Nagato bị nhiều đợt máy bay ném bom bổ nhào Mỹ tấn công. Lúc 14 giờ 16 phút, nó trúng phải hai quả bom được ném bởi máy bay từ các tàu sân bay Franklin và Cabot. Quả bom thứ nhất làm vô hiệu hóa một số khẩu đội pháo và gây hư hại cho lỗ hút gió của nồi hơi số 1, làm ngừng một trục mất 25 phút cho đến khi lỗ hút gió được dọn sạch. Quả bom thứ hai đánh trúng nhà ăn và phòng liên lạc vô tuyến phía trước, giết chết 52 người và làm bị thương 106 người khác. Vào ngày 25 tháng 10, lực lượng chính của Hạm đội Cơ động Nhật Bản vượt qua eo biển San Bernardino và hướng đến vịnh Leyte. Trong trận Samar, Nagato đối đầu cùng các tàu sân bay hộ tống và các tàu khu trục thuộc Đội Đặc nhiệm 77.4.3 Mỹ. Lúc 06 giờ 01 phút nó khai hỏa vào tàu sân bay hộ tống St. Lo, lần đầu tiên nó sử dụng các khẩu pháo chính lên tàu đối phương, nhưng bị trượt. Lúc 06 giờ 54 phút, tàu khu trục Heermann phóng một loạt ngư lôi nhắm vào chiếc thiết giáp hạm Haruna; những quả ngư lôi trượt khỏi chiếc Haruna nhưng lại hướng đến Yamato và Nagato đang chạy cùng hướng. Hai chiếc thiết giáp hạm bị buộc phải tạm ngưng tác chiến quay đầu về hướng Bắc một quãng 16 km (10 dặm) cho đến khi các quả ngư lôi hết nhiên liệu. Khi quay trở lại, Nagato tiếp tục giáp chiến cùng các tàu sân bay hộ tống Mỹ, bắn 45 quả đạn 410 mm (16,1 inch) và 92 quả đạn 140 mm (5,5 inch).

Lúc 09 giờ 10 phút Đô đốc Takeo Kurita ra lệnh cho hạm đội kết thúc cuộc tấn công và hướng lên phía Bắc. Đến 10 giờ 20 phút ông lại ra lệnh cho hạm đội lại hướng về phía Nam, nhưng vì hạm đội phải chịu đựng những đợt không kích ngày càng căng thẳng, ông lại ra lệnh rút lui vào lúc 12 giờ 36 phút. Đến 12 giờ 43 phút Nagato bị đánh trúng trước mũi hai quả bom nhưng thiệt hại không nghiêm trọng.

Đang khi rút lui trong ngày 26 tháng 10 hạm đội Nhật Bản tiếp tục chịu đựng các trận không kích liên tục. Nagato bị máy bay ném bom bổ nhào từ tàu sân bay Hornet tấn công, và trúng phải bốn quả bom khiến 38 người chết và 105 người bị thương. Trong ngày hôm đó nó đã bắn 99 quả đạn 410 mm (16,1 inch) và 653 quả đạn 140 mm (5,5 inch).

Ngày 25 tháng 11 năm 1944 Nagato về đến Yokosuka để sửa chữa. Tình trạng thiếu hụt nhiên liệu và vật liệu khiến cho nó không thể được đưa vào phục vụ trở lại, và đến tháng 2 năm 1945 nó được tái bố trí làm tàu phòng thủ duyên hải. Vào tháng 6 năm 1945, số pháo hạng nhì và pháo phòng không được tháo đem lên bờ. Vào ngày 18 tháng 7 năm 1945 nó bị tấn công tại Yokusuka bởi máy bay tiêm kích-ném bom và máy bay ném ngư lôi từ các tàu sân bay Essex, Randolph, Bennington, Shangri-La và Belleau Wood, bị trúng phải ba quả bom, trong đó một quả đã rơi trúng cầu tàu giết chết sĩ quan chỉ huy là Chuẩn Đô đốc Otsuka Miki.