中途岛海战的结果对于以后日本海军战略所产生的影响是不言而喻的，日本海军当局彻底调整了造舰计划。为了弥补航空母舰的不足，他们除了新建以外，还想方设法从现有的各类舰艇寻求其改造成航空母舰的可能性，连一直被当作舰队决战的主力∶战列舰也包括在内。由于正好“日向”号五号炮塔受损，讨论的结果，伊势级便被作为改装为航空母舰的首要候补。但是，如果将其彻底改为一艘长210米，宽34米，载机54架的正规航空母舰，工期少说也要一年半！而且，改造工程复杂，在战时本身船坞就为修修补补忙得不亦乐乎的情况下，一年半时间是难以接受的。最后得出的解决方案就是将其改装为半骡子半马的“航空战列舰”。就这样，当时瑟斯顿爵士的梦想就在这阴差阳错下化为了现实。“伊势”和“日向”两舰自从诞生以来，便一直不断地被进行着改装，然而这次改装却是一次“突变”，这两舰摇身一变，成了一种奇特的“四不象”！原来也许将会默默无闻的“问题战列舰”也在世界造舰史上留下了一丝异彩。

根据牧野茂技术大佐和福井静夫技术少佐合编的《海军造船技术概要第五分册》所记载的，作为航空战列舰，飞行甲板和机库的设置成了这次改建的重点。为了保留其作为战列舰的机能，至少需要6门主炮，因此最初计划保留其1-3号炮塔，但是以后在设计过程中发现，即使保留3号炮塔，其空间也不会有什么使用价值，相反还会给设计工作带来麻烦。因此，最后决定仅仅拆除最后两座炮塔而设置飞行甲板。起飞用弹射器设置于后部桅楼前部的两舷，其上部与飞行甲板同高。由于这要比一般军舰的弹射器高出许多，因此4号炮塔如果要进行低仰角射击将会受到限制，炮战时，必须将弹射器转向斜后方。

飞行甲板长70米，前部宽29米，后部宽13米，甲板上设有移动飞机用的3条轨道和12个转向盘，为了不至于影响甲板上的作业和交通，所有轨道和转向盘保持与甲板同高。舰载机计划使用高速远航程的十三式舰上轰炸机，也就是彗星式俯冲轰炸机，为了适应本舰的搭载以及能运用于弹射器，专门将原型的起落架作了改进，定型为彗星22型(D4Y1改)。而实际采用过的是改装金星62型(1560hp)空冷引擎的慧星33型(D4Y3)。当然一旦起飞，飞机不可能在伊势这样窄小的甲板上降落，只得利用其他航空母舰或者陆上基地。

平时在弹射机上有两架飞机待命，飞行甲板上再通过系留装置停驻11架飞机，这13架全部起飞以后，再从机库里用搬运车将飞机运到升降机提上甲板，被提上甲板的飞机首先被送到艉部，再由后方的转向盘运到两舷的轨道，通过中央轨道的飞机可以通过前部的转向盘移动到Y字型的分歧轨道，最后分运到两舷的弹射器。这种弹射器每隔30秒就能射出一架飞机。为了将飞机运上军舰，在左舷后部设置了一台4吨起重机。

机库长40米，前部宽20米，后部宽11米，高6米。为了使机库工程简易化，机库侧壁不施装甲而使用普通造船钢板，采用全焊接来建成。机库内设有轨道，前部两舷可以各容纳飞机4架，后部的中央再1架，共计可以容纳9架飞机。作为防火对策，库内采用了和航空母舰相同的泡沫和二氧化碳灭火装置，所有的通风管被集中于一处，被导向两舷排放，管道被设计成即使在机库内中弹，气化的燃料也不至于流向机库下部的生活区、发电区等其他部门而造成损害蔓延的结构。管道的排放部设有阀门，必要时可以关闭。同时，还吸取了中途岛的教训，规定不得在库内为舰载机装载炸弹和加油，燃料和弹药必须在甲板进行补给。航空武器库设在原来的五号主炮塔用的弹药库，一般搭载全机3次出击所必要的500公斤普通炸弹44个，250公斤普通炸弹22个等武装，这些武器通过扬弹筒穿过机库运到飞行甲板，扬弹筒使用高张力钢，具有一定的防火防弹片功效。这个扬弹筒还通到航空武器库以下的25毫米机关炮弹库、弹射器用火药库等，兼用于这些物品的搬运。原来六号主炮塔用的弹药库被改为航空燃料库，可以装载供全机三次出击所必要的轻油76吨，容量是111立方米。油库的周围设有防御用的夹层，还拥有燃料补给的泵室和管制室。由于空间有限，本舰无法使用一般航空母舰采用的电动升降机，而只能使用比较小型的水压升降机，升降机长12.1米，前部宽12.1米，后部宽6.6米，呈倒凸字型，在机库里搭载上飞机运到甲板仅需要20秒钟。

除了航空设备，这次改装的又一个目标是防空火力的增强。改装时首先拆除了所有的副炮，并将127毫米高射炮倍增至8座16门，在原来的后部副炮弹药库的位置上设置高炮弹药库及其扬弹筒，以前的副炮指挥所也被改为高炮指挥所。25毫米双联机炮也被改为新型的同口径三联炮，而且数量也猛增至19座57门，原来的前、中部副炮弹药库以及5号主炮弹药库的一部分被用来作为25毫米机炮的炮弹库。原来的5、6号主炮塔开口部，被覆盖上了150毫米以及25毫米的两重防护钢板，副炮的炮廓装甲板被撤去，换之以18毫米的钢板。

其他主要改装点是，以水泥强化了操舵室的防御，并新设了位于后部中甲板，配置有柴油机驱动的油压泵和人力油压泵的预备舵机室，以及位于原来五号炮塔位置后部操舵室。还利用原定装备在大和级四号舰的150000千卡涡轮冷却机一台，作为后部居住区的冷气供应。

在上一次大改装时，由于增加了填满水密钢管防鱼雷隔舱而吃水变深，为了让干舷部的装甲带浮出更多，当时采用了减少燃油的方法。由于减少了两座炮塔，这个问题也相对缓和。为了增加燃料以及调整吃水，在原来第五、第六号炮塔弹药库下面增加了新的燃料舱，使其航程延长至9449海里(16节航速下)。在机库前部包括后桅楼底层，安装了机械室通风筒、居住舱、飞行科和整备科的仓库，最后在主桅楼顶端，正式装备了战列舰最初的对空警戒雷达。

“伊势”号的改装工事在吴港工厂于1942年12月到次年9月为止，“日向”号的工事在佐世保工厂于1943年5月到11月为止实施，所有的物资流用了决定下马的大和四号舰原定使用的部分，整个工事进展还算顺利，但是改装完毕以后计划搭载的彗星生产没有能来得及跟上，因此只能暂时使用新型瑞云式水上轰炸机(E16A)。但是实际的情况却更为糟糕，连瑞云的开发研究也搁浅。虽然在44年5月1日，这两姐妹被编为由原来担任过“日向”号舰长的松田千秋少将任司令官的第四航空战队，但是没有飞机的母舰结果没有赶上日本海军期待以久的大决战：阿号作战。这次大决战的结果以“马里亚纳火鸡大捕杀”而在战史上留了名，日本海军的航空力量遭到了毁灭性的打击，即使是祈愿日军武运的Z字旗也随着新型航空母舰“大凤”号一同葬身海底。对于伊势姐妹来说，战役的结果使它们得到舰载机的希望变得更加渺茫。经过努力，在1944年10月1日总算是勉强拼凑了彗星和瑞云合计35架，在岩国基地编成了634航空队准备作为第四航空战队的舰载机。但是就是这些飞机，也在被日本人宣称为大胜利的台湾航空战和菲律宾战场上消耗殆尽！

即使不缺乏飞机，试航中还是发现了不少的问题。一般从航空母舰上起飞的时候，军舰将会以30节左右的速度顶风疾驶，然而，这两姐妹作为航空战列舰，多少还有着几分战列舰的容貌，前有巍峨的桅楼和巨大的炮塔，平时看起来威风凛凛，但是一旦要起飞飞机，这些都会成为挡风的累赘。更何况烟囱的排烟会挡住视线，如果主炮发射，结果更是灾难性的，隆隆的巨声会带来剧烈的震颤，伴之以浓烈的炮烟和强劲的气浪，不用说会影响起飞，即使对于停放的飞机以及各种航空设备都会带来极其恶劣的影响。更严重的问题是，由于飞机不能在伊势级窄小的甲板上降落，虽然可以使用水上飞机，用起重机回收，虽然可以降落于其他航空母舰或机场，但是使用效能显然会大大地降低，活动行动上的限制也会大大地增加。同样的，即便是作为战列舰，其炮火的运用还是要受到各种限制，据有关资料统计，改装以后的炮战能力，下降到了只有原来的三分之一左右。而且后部的机库没有装甲，虽然有一定的防御对策，但是根本不堪重炮炮弹的打击。可见，不管是作为战列舰还是航空母舰，都发挥不出令人满意的性能。其建造宛如想同时追逐两只兔子，到头来连一只也不能抓获。这样的军舰，终于开赴了它们最初的战场。