Cùng chiếc Zuikaku, chiếc Shōkaku gia nhập Lực lượng Cơ động (Kido Butai) tấn công Trân Châu Cảng và tham gia vào một loạt các cuộc tấn công hải quân ban đầu của Nhật Bản, kể cả cuộc tấn công Rabaul vào tháng 1 năm 1942, và trận chiến biển Coral vào tháng 5.

Trong cuộc không kích Ấn Độ Dương vào tháng 3 năm 1942, nó tham gia cùng các tàu sân bay Akagi, Zuikaku, Sōryū và Hiryū trong việc bắn phá Colombo. Tại đây Đô đốc Chuichi Nagumo đã thành công trong việc tiêu diệt rộng rãi các cơ sở hạ tầng. Nhiệm vụ đó đã được hoàn thành, khi lực lượng đặc nhiệm đã phát hiện và đánh chìm chiếc tàu sân bay Anh Hermes cùng hai tàu tuần dương (Cornwall và Dorsetshire), trước khi di chuyển đến vùng biển Coral (biển San Hô). Tại đây nó giúp đánh chìm chiếc tàu sân bay USS Lexington, nhưng đổi lại bản thân nó bị chiếc USS Yorktown tấn công gây hư hỏng nặng.[1]

Sau khi mất Akagi và Kaga ở trận Midway, Shōkaku, Zuikaku và tàu sân bay hạng nhẹ Zuiho được tích hợp lại thành Hạm đội tàu sân bay thứ nhất .Sau khi được sửa chữa, Shōkaku cùng với tàu sân bay chị em Zuikaku tham gia vào hai trận chiến khác trong năm 1942: trận chiến Đông Solomons, khi chúng gây hư hại cho chiếc tàu sân bay USS Enterprise, và trong trận chiến quần đảo Santa Cruz, khi chúng đánh chìm chiếc USS Hornet nhưng chiếc Shōkaku lại một lần nữa bị hư hại nặng bởi những chiếc máy bay ném bom bổ nhào.

Trong năm 1943 dưới sự chỉ huy của Thuyền trưởng Matsubara Hiroshi, nó quay trở lại vai trò một trong những tàu sân bay hạm đội quan trọng nhất của Hải quân Nhật. Nó được giao nhiệm vụ phản công tại quần đảo Aleutian, nhưng chiến dịch bị hủy bỏ sau chiến thắng của Đồng Minh tại Attu. Trong khoảng thời gian còn lại của năm 1943 nó đặt căn cứ tại Truk.

Vào năm 1944 nó đặt căn cứ tại Lingga gần Singapore. Vào ngày 15 tháng 6 năm 1944 nó khởi hành cùng với Hạm đội Cơ động trong Chiến dịch A-Go, một cuộc phản công chống lại các lực lượng Đồng Minh tại quần đảo Mariana. Trong Trận chiến biển Philippines vào ngày 19 tháng 6 năm 1944 lúc 11 giờ 23 phút, nó trúng phải ba (có thể là bốn) ngư lôi bắn ra từ tàu ngầm Mỹ Cavalla do Trung tá Herman J. Kossler chỉ huy. Vì chiếc Shōkaku đang trong quá trình tiếp nhiên liệu cho máy bay và đang ở trong một vị thế rất mong manh, các ngư lôi đã gây ra các đám cháy không thể kiểm soát được. Vào lúc 14 giờ 08 phút một trái bom phát nổ khiến xăng máy bay phát cháy. Shōkaku chìm nhanh chóng ở tọa độ 11°40′B 137°40′Đ / 11,667°B 137,667°Đ / 11.667; 137.667, khiến 1.272 người thiệt mạng. Tàu tuần dương Nhật Yahagi cùng các tàu khu trục Urakaze, Wakatsuki và Hatsuzuki đã cứu được Thuyền trưởng Matsubara cùng 570 thủy thủ.[1]