Vào cuối những năm 1930, Nagatsuki tham gia các hoạt động trong cuộc Chiến tranh Trung-Nhật, hỗ trợ những cuộc đổ bộ lực lượng Nhật Bản lên khu vực Trung và Nam Trung Quốc và tham gia xâm chiếm Đông Dương.

Vào lúc xảy ra cuộc tấn công Trân Châu Cảng, Nagatsuki nằm trong thành phần Hải đội Khu trục 22 thuộc Phân hạm đội Khu trục 5 của Hạm đội 3 Hải quân Đế quốc Nhật Bản, và được bố trí từ Quân khu Bảo vệ Mako tại quần đảo Pescadores trong thành phần của lực lượng Nhật Bản tham gia trận Philippines, trong đó nó giúp hỗ trợ cho cuộc đổ bộ của lực lượng Nhật Bản lên vịnh Lingayen và tại Aparri.[6] Trong khi ở lại vịnh Lingayen, Nagatsuki bị hư hại nhẹ bởi các cuộc tấn công bắn phá của máy bay thuộc Không lực Lục quân Hoa Kỳ, làm một người chết và năm người bị thương.

Vào đầu năm 1942, Nagatsuki được phân công hộ tống các đoàn tàu vận tải đi đến Singora, Malaya và Đông Dương cũng như đến Java vào tháng 2. Từ ngày 10 tháng 3 năm 1942, Nagatsuki cùng Phân hạm đội Khu trục 5 được bố trí về Hạm đội Khu vực Đông Nam hộ tống các đoàn tàu vận tải từ Singapore đến to Penang và Rangoon. Nó quay trở về Xưởng hải quân Sasebo để sửa chữa vào ngày 19 tháng 9, rồi lại gia nhập hạm đội vào ngày 9 tháng 11, tiếp nối các nhiệm vụ hộ tống.

Vào cuối tháng 1 năm 1943, Nagatsuki hộ tống chiếc tàu chở thủy phi cơ Kamikawa Maru từ Sasebo đi ngang qua Truk và Rabaul để đến Shortland, và ở lại đó trong suốt tháng 2 để bảo vệ cho cuộc triệt thoái lực lượng Nhật Bản trú đóng trên đảo Guadalcanal, cũng như để hộ tống các đoàn tàu vận tải đi đến Palau, Wewak và Rabaul. Nagatsuki được phân về Hạm đội 8 Hải quân Đế quốc Nhật Bản đặt căn cứ tại Rabaul vào ngày 25 tháng 2 năm 1943, và được phân công nhiều chuyến đi "Tốc hành Tokyo" vận chuyển binh lính trong suốt khu vực quần đảo Solomon cho đến cuối tháng 6, đặc biệt là đến Kolombangara và Tuluvu. Vào ngày 4-5 tháng 7, trong một chuyến đi đến Kolombangara, Nagatsuki đã đụng độ với tàu khu trục Mỹ USS Strong, và đã giúp đánh chìm nó bằng ngư lôi.

Tuy nhiên, vào ngày hôm sau, trong trận chiến vịnh Kula, Nagatsuki bị bắn trúng một phát đạn pháo 152 mm (6 inch). Chỉ huy của nó, Thiếu tá Hải quân Tameo Furukawa, cho mắc cạn con tàu gần cảng Bambari, tọa độ 08°02′N 157°12′Đ / 8,033°N 157,2°Đ / -8.033; 157.200Tọa độ: 08°02′N 157°12′Đ / 8,033°N 157,2°Đ / -8.033; 157.200 thuộc Kolombangara, để đổ bộ binh lính. Sau đó, mặc dù có sự trợ giúp của tàu khu trục chị em Satsuki, nó vẫn không thế nào nổi trở lại được; nên nó bị máy bay Đồng Minh tấn công và phá hủy vào ngày hôm sau 6 tháng 7. Thủy thủ đoàn bị tổn thất với tám người chết và mười ba người bị thương, nhưng những người còn sống sót sau đó đã đi bộ đến được căn cứ của Lục quân Nhật tại Vila thuộc Kolombangara.[7]

Nagatsuki được rút khỏi danh sách Đăng bạ Hải quân vào ngày 1 tháng 10 năm 1943.[5]