美军第四波空袭兵力于14时20分到达，但它们重点打击的是负隅顽抗的"大和"号。"武藏"号得到片刻喘息，但它的动力已丧失多半，与栗田舰队的距离越来越远，栗田只得留下"清霜"号驱逐舰掩护"武藏"号。
15时21分，第五波美机（总数31架）来到锡布延海，孤立无援的"武藏"号和"清霜"号成了美国人的活靶子。在最后一波攻击中，"武藏"号身中11枚鱼雷，当空袭结束时，"武藏"号已左倾10余度，大半个舰艏没入水下。
