Musashi rời Brunei trong tháng 10 năm 1944 tham gia Trận chiến vịnh Leyte.

Vào khoảng 8 giờ sáng ngày 24 tháng 10, "Lực lượng Trung tâm" bị phát hiện trong khi đang di chuyển qua biển Sibuyan và bị các phi đội tiêm kích Hellcat VF-20, phi đội ném bom Helldiver VB-20 và phi đội ném ngư lôi Avenger VT-20 từ tàu sân bay USS Enterprise thuộc Đệ Tam hạm đội của Halsey tấn công. Cho dù có lực lượng vượt trội, Đệ Tam hạm đội không được chuẩn bị để đối phó mối nguy cơ này. Vào ngày 22 tháng 10, Halsey đã tách hai trong số các đội đặc nhiệm tàu sân bay của ông quay về căn cứ của hạm đội tại Ulithi để tiếp liệu và tái trang bị. Khi nhận được báo cáo của Darter về việc tiếp xúc với hạm đội đối phương, Halsey đã gọi Đội đặc nhiệm của Davison quay trở lại chiến trường, nhưng lại cho phép Đội đặc nhiệm của Phó Đô đốc McCain, đội đặc nhiệm tàu sân bay mạnh nhất của TF 38, được tiếp tục hành trình đến Ulithi. Cuối cùng vào ngày 24 tháng 10, Halsey cũng triệu hồi Đội đặc nhiệm của McCain, nhưng sự chậm trễ đó đã khiến cho đội đặc nhiệm tàu sân bay mạnh nhất Hoa Kỳ chỉ góp được phần rất nhỏ trong trận chiến quyết định, và Đệ Tam hạm đội bị suy giảm gần 40% lực lượng không quân của nó trong hầu hết thời gian của trận đánh. Vào buổi sáng ngày 24 tháng 10 chỉ có ba đội đặc nhiệm tàu sân bay có thể tấn công được vào lực lượng của Kurita, và đội có vị trí thuận lợi nhất để tấn công, Đội đặc nhiệm 38.2 của Chuẩn Đô đốc Bogan, không may thay lại là đội yếu nhất với một tàu sân bay hạm đội duy nhất là chiếc Intrepid cùng hai tàu sân bay hạng nhẹ. Việc không triệu hồi đội đặc nhiệm của McCain một cách kịp thời vào ngày 23 tháng 10 cũng làm suy yếu thêm lực lượng do thiếu bốn trong số sáu tàu tuần dương hạng nặng của Đệ Tam hạm đội cho đến hết trận chiến.[3]

Yamato trúng một quả bom gần tháp pháo phía trước trong Trận biển Sibuyan.

Máy bay từ các tàu sân bay Intrepid và Cabot thuộc đội đặc nhiệm của Bogan đã tấn công vào lúc 10 giờ 30 phút, đánh trúng các thiết giáp hạm Nagato, Yamato, Musashi và làm hư hại nặng chiếc tàu tuần dương Myōkō. Một đợt tấn công thứ hai xuất phát từ những chiếc Intrepid, Essex và Lexington, với các phi đội Helldiver VB-15 và Hellcat VF-15 của chiếc Essex, đã đánh trúng 10 phát trên chiếc Musashi. Khi chiếc thiết giáp hạm bị nghiêng sang mạn trái và bị buộc phải rút lui, một đợt tấn công thứ ba từ các tàu sân bay Enterprise và Franklin đánh trúng nó thêm mười một quả bom và tám ngư lôi.[3]

Kurita cho hạm đội của ông quay đầu lại để ra khỏi tầm hoạt động của những máy bay tấn công, đi vượt qua chiếc Musashi lúc này đã bị hư hỏng nặng khi lực lượng của ông rút lui. Kurita đợi cho đến 17 giờ 15 phút trước khi quay đầu lại và hướng đến eo biển San Bernardino. Musashi lật và chìm vào khoảng 19 giờ 30 phút.[3]

Trong khi đó, Phó Đô đốc Takijirō Ōnishi tung ra ba đợt máy bay thuộc Không đoàn 1 của ông đặt căn cứ tại Luzon nhắm vào các tàu sân bay của Đội Đặc nhiệm 38.3 dưới quyền Chuẩn Đô đốc Sherman. Máy bay của đội đặc nhiệm này có nhiệm vụ tấn công các sân bay ở Luzon nhằm ngăn ngừa các cuộc không kích vào tàu bè Đồng Minh trong vịnh Leyte. Mỗi đợt tấn công của Ōnishi bao gồm khoảng 50 đến 60 máy bay.[3]

USS Princeton bốc cháy, phía Đông đảo Luzon.USS Princeton nổ tung lúc 15 giờ 23 phút.

Hầu hết các máy bay Nhật đều bị đánh chặn và bắn rơi hoặc đánh đuổi bởi những chiếc máy bay tiêm kích Hellcat của Sherman làm nhiệm vụ tuần tra chiến đấu trên không, trong đó đáng kể nhất là hai tốp máy bay tiêm kích từ chiếc Essex do Trung tá Hải quân David McCampbell dẫn đầu. Ông cũng là người đã bắn rơi chín máy bay đối phương trong chỉ trong một phi vụ. Tuy nhiên, một máy bay ném bom bổ nhào Yokosuka D4Y Judy đã vượt qua được hàng rào phòng thủ, và đến 09 giờ 38 phút đã đánh trúng tàu sân bay hạng nhẹ Princeton với một quả bom xuyên thép 250 kg (550 lb), gây một đám cháy nghiêm trọng trong sàn chứa máy bay của chiếc Princeton. Hệ thống vòi chữa cháy tự động trên tàu đã không hoạt động, nên các đám cháy đã lan ra nhanh chóng và một loạt các vụ nổ tiếp nối xảy ra. Đám cháy dần dần được kiểm soát, nhưng đến 15 giờ 23 phút, một tiếng nổ dữ dội, có thể đã xuất phát từ kho chứa bom phía sau con tàu, và gây thêm nhiều thương vong trên chiếc Princeton. Tàu tuần dương USS Birmingham, vốn đang cặp sát từ phía sau để giúp đỡ chữa cháy, còn chịu nhiều thương vong hơn nữa với trên 300 người chết và bị thương. Birmingham bị hư hại nặng đến mức nó bị buộc phải rút lui, và một số tàu bè khác ở gần đó cũng bị hư hại. Mọi nỗ lực nhằm cứu chiếc Princeton đều bị thất bại, và cuối cùng nó bị đánh đắm bởi ngư lôi từ tàu tuần dương hạng nhẹ Reno vào lúc 17 giờ 50 phút.[3]

Trong ngày 24 tháng 10, Đệ Tam hạm đội đã tung ra tổng cộng 259 phi vụ nhắm vào "Lực lượng Trung tâm", đa số là những chiếc Hellcat. Sức mạnh của cuộc tấn công này chưa đủ để có thể vô hiệu hóa nguy cơ từ phía Kurita. Để so sánh, trong ngày hôm sau đã có đến 527 phi vụ được Đệ Tam hạm đội tung ra nhắm vào "Lực lượng phía Bắc" vốn yếu hơn nhiều của Đô đốc Ozawa. Hơn nữa, phần lớn các cuộc tấn công trong biển Sibuyan chỉ hướng về một chiếc tàu chiến duy nhất, Musashi. Chiếc thiết giáp hạm lớn bị chìm, và tàu tuần dương Myōkō bị hỏng, nhưng mọi tàu chiến khác trong lực lượng của Kurita đều còn khả năng chiến đấu và có thể tiến tới.[3]

Do hậu quả của một quyết định để đời của Đô đốc Halsey, lực lượng của Kurita giờ đây có thể đi qua eo biển San Bernardino trong đêm đó, để xuất hiện một cách bất ngờ và ngoạn mục ngoài khơi bờ biển đảo Samar sáng hôm sau.