本级舰在新造完成时就已经搭载了四门八厘米高射炮，并且也装备了射击方位盘。由于日本海军在扶桑级的实用上发现了严重的主炮射击爆风问题，所以在伊势级的上部配置上有所改进，例如主要舰载艇都集中放置在后部烟囱基部，并且设有防止主炮爆风的铁板。副炮的配置上也跟扶桑级不同，扶桑级单舷八门的单装副炮是沿着舰舷从舰首一直布置到舰尾，伊势级则因为最上甲板只延伸到第二炮群，所以副炮都集中在第一炮群到第二炮群间的区域，第二炮群后即无副炮炮位。虽然十四厘米炮体积较六英寸炮小，但是高达二十门的装备数量仍无法在这短短的区间以炮廓的方式配置完全，于是两舷各有一门十四厘米副炮被安置在甲板上，形式就跟使用在5500吨级轻巡洋舰上的一样，拥有炮盾。

主炮的装填方式也从扶桑级仰角五度的的固定装填方式改成了可以从仰角五度到二十度间的半自由装填方式，在发射速度上有所改善。另外在武装上最大的改变就是将副炮从六英寸副炮（15.2 厘米）换成了五十倍径十四厘米副炮，原因是因为自从金刚级以来使用的六英寸副炮炮弹对于体格较小的日本人来说负荷过重，在长时间连续射击上无法有很好的成绩，相对于六英寸炮炮弹四十五公斤的重量，十四厘米炮的炮弹只有三十八公斤，虽然在威力上有所退减，但是有利于长时间连续射击，另外在射击速度上也有大幅改进，从原来的一分钟六发进步到一分钟十发。而且副炮的搭载量也从十六门增加到了二十门。

防御力上的改进，包括主炮塔前盾、炮塔环、防御甲板的增厚、水中防御的改善、纵隔水壁以及防水区间的增加等。主机出力为四万五千马力，较扶桑级多了五千马力，但是由于排水量也增加了，所以速度只比扶桑级快约零点五节。在新建当时，前后主桅的高度跟扶桑级相反，前桅缩短了八米，后桅增长了二十米，这使得新造时的伊势级战舰的三脚后桅十分高耸。本级舰首舰伊势号于1915年5月10日在神户川崎重工起工，工事状况顺利，于隔年下水，并于1917年12月15日竣工 ，二号舰日向号则是较伊势号早几天，于1916年5月6日在三菱长崎造船所起工，最后晚伊势号几个月，于1918年4月30日竣工。

在伊势级竣工后大正八年（1919），日向号首先爆发了该级的第一次事故，在同年十月，日向号于千叶县野岛近海执行射击训练时，三号炮塔右炮发生膛炸，为此该舰于大正十年（1921）进坞进行了修复工程，并且顺便执行了他生涯中第一次的改装工事，增加了主炮的最大仰角。而伊势号跟随着日向号的脚步，在大正十二年（1923）接受了他第一次的改装工程。伊势号下水之时正巧为日德兰海战爆发的同年（1916），所以算是前日德兰式的战舰，在日德兰海战后设计建造的战舰，多注重远距离炮战，包括主炮仰角的提升，以及相对应的加厚甲板装甲来抵御从远距离射来落下角度较大的炮弹。

因应这个潮流，伊势级战舰在这次改装工事中将其主炮最大仰角从原来设计的二十五度增加到了三十度。另外，在前桅楼中段增设了探照灯的架设平台，将原本设于前桅楼上段的探照灯移下来。接下来，在大正十三年（1924），则是加强了主炮塔上盖的装甲，这也是因应后日德兰时代而实施的改装。另外，在前桅楼增设了副炮指挥所以及测距所等建物。在这个时期，伊势级撤去了后烟囱两侧的探照灯，另外架设在第二、三、五号主炮塔上的主炮炮塔测距仪也从竣工时搭载的波式六米型换成了八米型。

昭和二年（1927）伊势号在第二炮塔上增设了滑走台，但是由于不久之前在战舰山城号上以十式舰上战斗机所试验的陆上机发进实验，其结果并不理想，不久之后伊势号就撤去了滑走台，改在第五炮塔上装备了水上机 停置甲板，能停放一架水上侦察机，由装备于后桅的吊竿吊至海面起飞并回收，日向号也装上了相同的装备。另外，此时期的伊势级战舰撤去了沿着舰舷布置的鱼雷防护网设置装备。昭和三年到四年（1928~1929）间，伊势级战舰再度进行了近代化改装工事，这次主要集中在前桅楼的近代化工事，增添了许多建物，包括副炮测距所、发令所、侦查巡逻哨等，另外在舰桥上装备了留式机铳三挺。

这些加装的建物使得原本构造简单的三角桅突然间变成了一座结构极其复杂的 细长高塔。由于前桅楼构造高大复杂，原本设于三角桅后方的第一烟囱造成了新式舰桥的困扰，因为前桅楼建物的粗大化而且延伸至桅顶，使得第一烟囱的排烟会倒灌到舰桥里，加设在烟囱口高度以上的建物就更别说了，将会直接的遭受大烟囱的烟熏。为此，在第一烟囱的排烟口装置了防烟倒灌的烟囱帽。另外，在第二烟囱后方设置了探照灯平台，收容了从前桅楼撤下来的四具探照灯，此时全舰共计八座探照灯，其中第二烟囱后部平台四具，前后桅各两具。

昭和七年（1932）开始，伊势级战舰实施了对空兵装的强化改装，将原来的四座八厘米四十倍径高角炮以及设置在甲板上第一烟囱两侧的两门十四厘米单装副炮撤去，装设了新一代标准的八九式十二点七厘米四十倍径连装高角炮四座，两座布置在前桅楼的基部，两座则取代原先甲板上副炮的位置，装置在第一烟囱两侧，这两座高射炮因为位于甲板上，怕遭受到主炮爆风影响，于是在这两座高射炮操作平台的四周架起了防止爆风的铁皮帷幕，这种例子仅见于伊势级战舰。高射炮的火控装置九一式高射装置则设置于前桅楼下段的两侧。在高射机枪方面，于第二烟囱前部设置了平台，在其上装备了两座维克斯40mm 连装机铳。

这个时期的伊势号在外观上最大的改变除了前桅楼的复杂化以外，还包括了后桅的缩短，前桅的信号旗桁改成了从中间段向后转折的奇特型态，是这时期伊势 级战舰最容易判别的象征之一。另外，航空兵装方面也较昭和二年（1927）更为进步，将第五炮塔上的水上机停放甲板拆除，于舰尾左舷增设了吴式二号三型弹射器，并在右舷同样位置增设了吊起水上机用的吊杆，吊杆座从右舷舰尾处向外膨胀，也是辨识的要点。最后，在这个时期撤去了水线下的固定式鱼雷发射管。

继扶桑号、山城号之后，伊势级战舰又于昭和十年（1935）实施了更彻底的大规模改造，这次大规模改造因为限武条约期限将近，完成后已经是无条约限制的时代（华盛顿条约以及伦敦条约期限都只到1936 年 12 月 31 日），所以改装的幅度较过去更大、更完整。 日向号于昭和九年（1934）底于吴工厂开始进行改装，而伊势号则是于昭和十年（1935）八月一日开始这项大规模的近代化改装。这次战前最后一次，也是规模最大的一次近代化改装，其主要升级点在于炮战距离的延长、水平防御的强化、水中防御的加强，以及更大的一个工程——换装新的主机，以获得更高的速力，当然，上部结构也因为增添许多建物而更加的复杂化。

炮装方面

首先，全部的主炮除了最后一座炮塔至第六号炮塔由于空间的问题以外，其最大仰角都从之前几次改装后提升到的三十度角，进一步加大到了四十三度，最大射程达到三万三千米，同时，主炮射击装置也有所更新，在前桅楼的顶端装设了巨大的基线长十米测距仪。副炮方面，最大仰角从原来的二十度增加到了三十度，射程延伸到一万五千米，另外，副炮装设处的形状也有所改变，原来副炮上一层的甲板是平整的舷侧弧线，在此时改成了锯齿状来配合副炮炮座。加上上一次改装中拆除的两门架设于第一烟囱旁甲板上的两门副炮，原本二十门的副炮数量只剩下十六门。

上部建物

前桅楼由于需要更多的空间来装置设备，原来的三脚桅所能架设的空间有限，于是在三脚桅后面架设了直达桅顶的补助支撑钢架，使得前桅楼每层舰桥的面积都向后大幅增加，原本具有细长外观的前桅楼一举放大了两倍宽度。另外，后桅楼也有扩建，向上增盖了数层建物，在其上装设了主炮的预备射击方位盘以及副炮用的方位盘等设备。原本高大的后三角桅也有极大的改变，三角桅中的两根支撑桅被裁去到后部舰桥以上的部分，后桅上部原有高大十字型的结构也都被除去，改成了一根较短的延伸桅，以及两根从中间向左右张开约三十五度的桅，主桅柱顶的水平X型张线架也有延长，并且加装了支撑架。

防御部分

水平防御方面，在弹药库上方有集中的防御强化，加上了135mm 厚装甲板，另外，轮机室上部、主炮塔、炮塔座环筒、扬弹筒等部分的装甲都有所加强。在水中防御的部分，伊势级战舰并不像长门级一样拥有水中防御纵壁，于是只好在弹药库部份的舷侧加上了95mm~141mm不等的装甲板。在轮机部分，于轮机侧面加上了数层的液体夹层纵壁，里面填充重油，充当水中防御的缓冲，另外为了进一步加强水中防御能力，也是因为大规模改装使得排水量大幅上升，于舷侧装上了大型的船腹突出部，在船腹内设置了重油槽以吸收鱼雷爆炸造成的冲击力，在其外贴上了25mm 的DS钢板当作直接防御。

轮机部分

最大的工程可能就是主轮机的更新了，撤去了原有的二十四具ロ（Ro）号舰本式锅炉以及两组寇蒂斯直结式主轮机，新设置的是四具舰本式齿轮涡轮，以及八具新式的ロ（Ro）号舰本式专烧锅炉，出力从原本的四万五千马力大幅增加为八万马力，但是由于改装也增加了不少的排水量，速度只从原来的二十三节增加到二十五节，这个速度是日本旧战舰改装后的标准速度。另外，为了让速度达到这个标准，舰尾也实施了延长的工程，延长了约 4.3m，有利于增加细长比来减低阻力。

烟囱、防空武装、航空兵装等

由于前主桅向后扩增面积，第一烟囱必须被取消，于是两个主排烟管路被集中在一只扩增后的原第二烟囱，也由于原第二烟囱的扩大，环绕其旁的平台与支架又增加许多，以搭载更多的探照灯以及防空机枪座。在防空武器方面，高射炮仍维持上次改装的规模，四座连装八九式高射炮集中在前桅楼附近。高射机枪方面，撤去了原本老旧化的维克斯40mm 机枪，开始装备当时选定为日本海军统一制式防空机枪的九六式 25mm 机铳，在前桅楼前后各装备了四座的九六式 25mm连装机枪，在烟囱周围支架上架设了四座，在后部舰桥前方也架设了两座，共计十座。

伊势号是第一艘在大改装中就装备了制式九六式 25mm机枪的战舰。航空兵装方面，将上次改装中设置的吴式二号三型弹射器换成了吴式二号五型，由于延长了舰尾，具有更大的空间能放置水上飞机，其搭载量增加到了三架。另外，原本架设在舰尾的观景平台也被拆除。后来在开战海军舰队执行出师准备时，在船腹中放置了大量的水密钢管，以保持一定的浮力。

昭和十一年（1936）九月到隔年五月间，伊势级战舰的大改装工程终于陆续完成，改装过后的伊势级战舰看起来像是脱胎换骨一般，在外型上跟之前有很大的差别，雄伟的舰容给予人深刻的印象。在大改装完毕后到开战之前，伊势级又陆续的做了些的改装，包括机枪射击火控装备的充实、应急排注水设施的装备、前桅楼顶端新设的防空指挥所、船腹内填充的水密钢管，以及舷外消磁电路的装备等。这些零星的改装大多在昭和十五年（1940）末的时候实施，并在昭和十六年（1941）秋天的时候完成了出师准备，接着就准备迎接太平洋战争的来临。

太平洋战争于昭和十六年（1941）十二月八日爆发，此时的伊势级战舰隶属于第一舰队第二战队，第一舰队包括了当时日本海军内除了两艘长门级以外的所有战舰，而第二战队的成员则包括了两艘扶桑级以及两艘伊势级战舰。开战时，除了四艘金刚级战列舰以外，剩下的六艘战舰都停留在日本本土，没有出战的机会，这些战舰既无法伴随机动部队奇袭珍珠港，拿去充当南遣舰队支持队又似乎太过委屈，就以日本中枢战舰部队的名份堂堂坐镇在濑户内海，实际上则是没有他们活跃的舞台，即使是日本海军排定已久的九段作战，这些战舰都是排在最后一段大决战时上场。

曾经于大正八年发生膛炸事件的日向号，在昭和十七年（1942）五月五日又发生了意外惨剧，正在伊予滩进行主炮射击练习中的日向号，第五炮塔的弹药在装弹时于炮膛中引爆，炮塔被完全炸毁，造成多名舰员死亡。由于战争的节奏不容许他留下修复更新炮塔，只好把第五炮塔的残骸清理干净，在炮塔环上覆盖上钢板，并在其上装设了四座的25mm三连装防空机枪座。

昭和十七年（1942）五月下旬，日本海军试验性的在两艘伊势级战舰上装设了日本海军最早的电波探信仪（电探）设施，其中伊势号装上的是网状外架的二号电波探信仪一型（二一号电探），其作用为防空兼水上警戒，能在五百五十公里处探得高度三千米的敌机，水上警戒力方面则能发现二十公里处的战舰。二一号电探架设在前桅楼顶端测距仪塔上，当时的测距仪以及测距仪塔都是涂成白色。 日向号则是在前桅楼顶两端装上了喇叭状的二二号电探，其作用为对海警戒用。

昭和十七年六月，两艘伊势级战舰参加了中途岛海战，他们的位置仍是在第一舰队第二战队，仍与两艘扶桑级战舰为伍，隶属于联合舰队长官山本五十六亲率的主力部队中，除了四艘金刚级战舰分别位于南云机动部队以及近藤攻略部队中以外，该部队汇集了日本海军大和号以下的所有战舰，一时之间日本海军中枢战舰部队威容在海上一字摆开，威风凛凛，不过，在这场决定太平洋战争命运的中途岛海战中，这支战舰部队却完全没有起作用，只是徒然耗费大量的燃油罢了。

在中途岛海战中，南云机动部队的四艘精锐航空母舰因为行踪早已为美军知晓，虽击退次次来袭的美机，最后仍遭受美军俯冲轰炸机的突击而全军覆灭。在这场战役中战术缺失方面，有一点就是南云舰队没有配备对空雷达，如果能够装备雷达设施，则能更早发现来袭的美机，在应对迎击方面有更大的裕度，或许南云舰队能逃过一劫并发动反攻击溃美国舰队反转整个战局也说不定。或许读史者会在此感叹日军装备雷达之晚，使得中途岛一役溃败，但是事实上，位于山本主力部队中的伊势号就装备了试验性的二一号电探，作为日本第一艘装上雷达设备的战舰，伊势号留给历史的却是不甚名誉的印象。

中途岛海战后，日本海军真正的见识到了航空机的威力，为了急速补充在中途岛海战中损失的舰队航空兵力，日本海军提出了云龙级航母的大量建造计划，另外，许多改造航母的急造案也浮现台面。就改造成航母来讲，至少要重巡以上的吨位才值得进行改造，一万吨重巡约相当于一艘能搭载二十几架战机的轻型航空母舰，正在建造中的重巡伊吹就被选上半途改造成航母。 此时的日本海军已经不得不承认战舰已经是无用武之地，所以也打算挑几艘战舰来改装成航空母舰，在日本的战舰中，大和号、武藏号是日本也是全世界号称最大最强的战舰，耗力巨大才建造完成，绝对不可能拿来改造成航母，不过他们正在建造中的姊妹信浓号则被决定拿来改造成航空母舰。

再来，长门级战舰威力也相当可观，而且是日本海军排名第二的战舰，因此并不在候补名单内。金刚级虽然 火力又弱装甲又薄，而且是当时日本海军最古老的战舰，但是因为拥有三十节的高速，在战场上十分活跃，走的都是最前线。最后，名单锁定在扶桑级和伊势级这四艘又老又似乎没有什么用处，开战至今也都尚未发挥过作用的主炮 14英寸级战舰上。最后，由于日向号的第五炮塔在昭和十七年（1942）七月意外爆炸，对于改造工事来说正好免了拆卸该炮塔的麻烦，而是最后就决定将伊势级战舰两艘改装成航空战舰。

最早的提案是将伊势级的上部结构完全拆除，搭起机库，铺设航空甲板而成为一艘真正的航空母舰，在计算上预计能铺上二百一十米长、三十四米宽的飞行甲板，载机量有五十四架，经过这个提案改造完成的伊势号航母在性能上将十分类似从商船改造过来的飞鹰级航空母舰，两者在载机量以及速度上都十分相近，唯一的差别就是伊势级仍保有战舰级的厚重船身装甲。不过，这个提案所需的改造工期约为一年半，这使得急于迅速增强航空兵力的海军方面十分的不满，于是下令改行新的改造方案，保留六门主炮，撤去所有的副炮，加强防空火力，在载机量方面则是尽量越多越好。

最后，伊势级战舰被改造成了史无前例的舰种－航空战舰，前半段保持着战舰的高大的舰桥以及主炮，后半段则铺上飞行甲板，停放战机。航空战舰版的伊势号只拆去最后面的五、六号炮塔，保留了八门主炮，在后部主炮群拆去所产生的空间上搭载了长四十米、高六米的一层机库，其上则是长约七十米的飞行甲板，两者之间有一具升降梯相连接。

航空战舰计划最早的舰载机计划是搭载二十二架最新型的舰上轰炸机－彗星，其中有九架存放在机库中，飞行甲板上能停留十一架，两舷的弹射器上又能各停放两架。这款使用液冷式引擎的俯冲轰炸机拥有炸弹舱，速度比零战还快，预计在加上了足够的机体补强以供弹射起飞后，搭载在航空战舰上作为舰载机。不过，彗星是一架适用于传统航空母舰操作的战机，即使能以弹射器起飞，也无法像在一般航母那样降落在飞行甲板，所以，伊势号若搭载了彗星，则在起飞攻击敌人后，在回航时必须降落在其它的正常航母上。

因为传统舰上战机使用的不方便，海军方面决定将半数的舰载机改成水上机－水上机既能以弹射器起飞，回程时只要在舰上装设一具起重机，就能停在水面上在以起重机回收至舰上。但是，水上机不管在速度还是载弹量上，都远不及正规的舰上轰炸机，往往只能带几枚60公斤左右的炸弹充当反潜骚扰用而已。为此，日本海军选中了专为轰炸任务而研发的高性能水上机爆击机瑞云来作为伊势号的舰载水上机，瑞云能搭载一枚 250 公斤炸弹，并且能作俯冲轰炸，性能跟九九式舰爆不相上下，是日本海军的得意作品之

为了能迅速的完成战机弹射起飞作业，伊势号装用了新型的超大型弹射器－一式二号弹射器，这款新型的弹射器也装备在搭载多架水侦的轻巡洋舰大淀号上，一式二号弹射器较之前所使用的吴式二号五型更为大型，能弹射的重量也大，而且拥有连续弹射战机起飞的能力。伊势号在飞行甲板前端左右舷各装备了一具此型弹射器，高度跟飞行甲板同高，装载在弹射台车上的战机能藉由甲板上的导轨直接进入弹射器。使用了大型弹射器的伊势号拥有三十秒弹射一架战机的能力，全机起飞估计需要五分钟的时间。

为了指挥飞行甲板的操作，在后桅楼上架设了射出指挥所。原来装设在舰尾甲板的起重机，被抬高到了飞行甲板上以供吊放战机使用。战机使用的汽油槽、炸弹库等设施则被架设在原有的第五、第六炮塔弹药库中，充分利用战舰炮塔弹药库防御力较高的优点。搭载的油量以及弹量足够全舰战机出击三次使用。原来撤去的炮塔遗迹上则覆盖以 150mm 的装甲板保护。

将伊势级战舰改造成航空战舰的工程在昭和十七年末开始着手进行，昭和十八年（1943）二月二十日，伊势号进入吴海军工厂的船坞，正式开始改造，同年八月二十三日完成工程。除了撤去后部主炮群、增设飞行甲板及机库外，在其它兵装以及舣装上也有所更动。首先，为了因应日渐激化的舰对空作战，伊势 级的航空火力大幅的强化，高射炮方面从原来连装四基倍增到了连装八基，使他成为日本海军中除了大和级以外，装设最多防空炮的战舰。新增的四座防空炮分别装设在司令塔两侧以及烟囱两侧，高射炮布置格局十分紧密。

高射炮指挥装置也由原先的九一式高射装置换成了新型的九四式高射装置，除了原有舰桥两侧的两具外，在烟囱两侧的支架上也增设两具。防空机枪方面，原来配备九六式连装 25mm 机铳十座，此时都换成三连装，并且再新增九座三连装机铳。副炮方面，遭到全数撤去，在原先的副炮位置贴上 18mm的钢板补强，原先的副炮方位盘也被撤去，装上了三连装机枪座。另外，前桅楼测距仪塔顶端正式装上了二一号对空电探，在较低的位置上装设了二二号水面侦测电探，不过似乎是后来加装的，不属于此次改造范围。此外，还有舵机的强化以及燃料槽的增设等改良。

昭和十八年（1943）八月二十三日，伊势号从吴海军工厂出渠，在进行完测试后，回航至柱岛，从九月十五日起接受海军兵学校的候补生实务练习。由于舰载机部队的生产与训练一直没有完成，伊势号也无法这样就上前线去作战，没有舰载机的伊势号在前线就等于是拆去了两座炮塔的战舰，那么改造成航空战舰的工作都是白费了。基于这样的心态，伊势号一直被留在后线进行训练或运输的工作。舰尾加装的庞大机库没有战机可以搭载，却是个堆放货物的好地方，昭和十八年（1943）十月，伊势号在宇品装上了陆军部队以及其装备，充当运输舰开往土鲁克。在回航后，继续留在吴港进行训练，舰载机部队迟迟无法编成，使得伊势号完全无用武之地。

昭和十九年（1944）五月一日，伊势号终于跟姊妹舰日向号一同编入了当时的主力航空舰队第三舰队，也就是小泽机动部队，担任其中第四航空战队的职务 ，与此同时，也决定编成海军第634航空队作为两舰的搭载战机部队。第三舰队中第一航空战队是由正规空母组成、第二航空战队是由改造的中型空母为主力、第三航空战队则是由三艘轻空母组成，第四航战则是由两艘航空战舰为主力构成。但是，由于634航空队的种种问题，包括舰爆彗星的结构补强，以及瑞云水上爆击机的开发等都有所延迟， 所以日本海军并不打算在短期内让伊势号上前线，因此，伊势号并没有能赶得上参加六月中爆发的马里亚那大海战。

在这段空闲的期间，伊势号更进一步的强化了它的防空火力，在许多地方增设了25mm防空机铳，共增加了十二座25mm三连装机枪以及十一挺25mm单装机枪，使得25mm机枪的装备量达到总计104门的数目。增加的机枪包括了第二、第三炮塔上增设的四座三连装机枪、后部飞行甲板两舷增设的八座三连装机枪、以及飞行甲板上架设的十一挺单装机枪等。其中单装机枪是可移动式的，在战机都起飞、净空甲板后再予以架设。另外，在九月末莱特湾海战即将爆发前，伊势号于飞行甲板最后部两舷各架设了三座 、总共六座的12厘米28连装对空喷进炮，也就是所谓的防空多管火箭发射器，在日本海军还是唯一装备这种兵器的战列舰。

迟迟未能建组的航空战舰舰载机部队634航空队，终于在马里亚那海战后的昭和十九年（1944）六月二十三日成立，并开始进行弹射以及回收的训练，其所辖之舰载机尚未到达满数四十四架，有彗星八架、瑞云十二架，不过，在八月间却因为后勤问题以及战机机体问题百出，而相继暂时停止训练的任务。到了九月底，634 航空队里只有十一架彗星以及二十架的瑞云能够动作，分别于吴港以及岩国的航空基地实施训练以及机体的整备，但是不久后却因为美军于十月十日急袭台湾而奉命从日本本土抽调至台湾迎击美军舰队。好不容易稍具规模的634航空队战机，纷纷在台湾近海激烈的战斗中消耗殆尽。

其中，在十月十四日的激战中，634 航空队所辖的彗星部队中的九架损失一半以上，另外还有更多的战机因为整备的问题仍停留在九州岛或冲绳的基地里无法出击。最后，当十月十七日日本海军发动捷一号作战时，634 航空队中只剩下四架的彗星以及十二架的瑞云，分别驻扎在台湾的台中基地以及淡水基地，由于捷一号作战的发动，已经没有时间能回到日本本土上舰搭载，结果，在捷一号海战里，伊势号以及日向号就只能带着空空的机库赴前线作战，花费大量金钱时间改造的航空战舰设施，到头来一点用处都没有，只平白削弱了主炮的威力。

昭和十九年（1944）十月中，美军组织了前所未见的大舰队，浩浩荡荡的往菲律宾杀来，日军紧急拉响警报，发动了捷一号作战。在捷一号作战的编制里，航空战舰伊势号及其姊妹舰日向号仍隶属第一机动舰队第三舰队下的第四航空舰队，该航空舰队以两艘伊势级航空战舰组成，与由四艘大小航空母舰组成的第三航空舰队同属小泽治三郎将军的领导下。在捷一号作战计划中，小泽舰队的任务是由菲律宾东北方海域逼近战场，以自身作为诱饵引诱敌军航空母舰部队北上，好让暗藏于菲律宾西方的主力水面舰队能一股作气冲杀至莱特岛歼灭登陆敌军，是史上难得一见的“诱饵舰队”。

十月二十日下午六点，小泽部队由本土丰后水道出击，于二十四日到达预定的攻击发动点，发动了仅有的五十几架战机攻击美军舰队，期望能招致敌军的大举反击。果然，十月十五日上午，美军主力航空母舰部队－海尔赛将军所辖的第三舰队发动了共一百八十架战机的大规模的空中攻击，直往小泽舰队杀来，在经过激烈的战斗后，小泽舰队中的四艘航空母舰全数沉没，但是第四航空战队的两艘伊势级战舰却奇迹式的得以生还，除了几枚至近弹造成些许的损伤外，并没有严重的伤害，这可能有两点原因，第一，美军以小泽舰队中的四艘航空母舰为主要攻击目标，第二，在最终阶段的防空火力强化得到了良好的效果。

伊势号在莱特湾海战奇迹式的生还后，与小泽残存舰队回到了吴港，由于受伤轻微，伊势级两舰于十一月八日从吴港出击，冒着美军空袭的危险，装载着补给品运往马尼拉，却因为马尼拉连日遭受美军攻击，而无法顺利入港，于是移往新南群岛（即南沙）下锚停泊，将补给品转交运输舰后前往新加坡的林加锚地停泊。捷一号海战的失败使得日本海军已经名存实亡，菲律宾的陷落亦导致日本本土与南方资源地带间的联系被切断，因此，日本海军急欲发动一次大规模的运输作战，趁着美军完全控制菲律宾附近海域前进可能的把南方的资源搬回日本本土。

由于伊势级航空战舰拥有宽敞的机库空间以及强大的防空火力及防护力，自然是装载大量油桶、物资的最佳“武装运输船”，因此，停泊于新加坡林加锚地的两建于该地尽其所能的塞满了物资油料，与其于几艘军舰于昭和二十年（1945）二月十一日拼死一搏，由新加坡出击，冒着遭遇美军空袭的危险北上回航，将最后一批运输物资运回日本本土，此时美军已经控制了菲律宾群岛的大部分，也就是说伊势号回航的路线将暴露在美军的航空攻击范围内。不过，两舰的舰运似乎极其强大，在莱特海战中奇迹式的生还后，在这场突破敌线的运输作战中又幸运未遭敌军攻击，除了途中于二月十三日曾遭受美军潜舰的攻击外，整只舰队都平安的在二十日回到吴港。

昭和二十年（1945）三月，由于战局已无法挽回，两艘伊势级所在的第四航空战队宣告解散，舰只分别进入濑户内海停泊并实施伪装，作为浮动防空炮台使用。此时的伊势级战舰上也将所架设的几座25mm三连装防空机枪拆卸下来供岸上使用，另外由美军所侦照的照片指出，伊势号也将其两具巨大的弹射器拆除以便利中部主炮塔群的操作，对于此时的伊势号来说，弹射器以及机库等都已经没有任何的意义了。三月十九日，美军舰载机大肆攻击吴港，伊势号蒙受两发命中弹的攻击，日向号则遭受一发命中弹及多发靠近弹的损伤。

五月，伊势号改泊于音户濑户的仓桥岛作为防空炮台使用。七月二十四日，美军再度攻击吴港，日向号身中十枚的命中弹以及好几发靠近弹，终于大破沉底，伊势号则是在二十四日与二十八日的攻击中总共遭受十六枚的命中弹，上部结构遭受严重的伤害，最后也跟日向号一样，歪歪斜斜的坐在吴港底的泥床上，露出高耸的舰桥，右半舷甲板上已经被海水浸渍，模样凄惨。最后两舰就以这样的姿态迎接战争的结束，在到日本投降之前，两舰上的 25mm三连装机枪座多有被拆送往岸上使用。