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。至19时15分许，"武藏"号已左倾超过12度，舰长猪口敏平判断军舰必然沉没，被迫下令弃舰。15分钟后，弃舰正式开始，但舰体倾斜猛然增大到30度，并且在加速倾斜。突然间，这个7万吨的庞然大物猛然翻身，一下子向左倾覆，同时舰体内还传来爆炸声。最终，"武藏"号沉没在北纬13度7分、东经122度32分的水域，舰上2000余名官兵中有1021人丧生，舰长猪口眼见军舰无法保全，遂烧掉电码本等物品，然后来到舰桥，锁上舱门，坐等军舰沉入海底。
