Cả hai chiếc trong lớp Pennsylvania đều hiện diện tại Trân Châu Cảng khi Nhật Bản tấn công nơi này vào ngày 7 tháng 12 năm 1941. Arizona chịu đựng một vụ nổ khủng khiếp tại hầm thuốc đạn phía trước sau khi một quả bom phóng ra bởi một chiếc Kate xuất phát từ tàu sân bay Hiryū đánh trúng giữa hai tháp pháo số 1 và 2 bên mạn trái, đưa đến tổn thất bi thảm và nặng nề nhất của cuộc không kích này. USS Arizona chìm sau khi nổ tung và vỡ làm đôi.

Pennsylvania chỉ bị hư hại nhẹ trong trận này, và nó đã phục vụ tại Mặt trận Thái Bình Dương trong suốt Chiến tranh Thế giới thứ hai. Được trang bị dàn hỏa lực hạng hai mới gầm các khẩu 127 mm (5 inch)/38 caliber nòng đôi đa dụng vào cuối năm 1942, nó hỗ trợ nhiều chiến dịch đổ bộ, và đã hiện diện trong trận hải chiến giữa các tàu súng lớn cuối cùng của thế giới, Trận chiến eo biển Surigao vào ngày 25 tháng 10 năm 1944. Một quả ngư lôi đánh trúng vào tháng 8 năm 1945 đã làm hư hại hệ thống động lực của nó ngoài mức có thể sửa chữa hiệu quả, hỏng ba trong số bốn trục chân vịt. Cùng với các tàu chiến lạc hậu khác, Pennsylvania là mục tiêu của cuộc thử nghiệm bom nguyên tử Crossroads vào năm 1946 và bị đánh đắm ngoài biển hai năm sau đó.