太平洋战争开战时，长门作为联合舰队的旗舰，与姊妹舰陆奥共同编成第一战队。1941年12月2日，由长门号上发出了“登新高山1208”的暗号电文，向出航的机动部队下达了攻击珍珠港的命令。

1942年2月12日，山本大将把大将旗移至大和，大和成为新的联合舰队旗舰。1942年6月的中途岛海战中，长门虽然被编入第一战队参与战事，但是并没有进行战斗，战斗结束后收容了加贺（赤城？）的生存者返国。

1943年于加罗林群岛的特鲁克岛基地，在1944年2月从特鲁克岛撤退后改为停留在林加锚地基地。1944年6月参加阿号(A-Go)作战，在19日的菲律宾海海战（马里亚纳海战）中受到空袭，但损伤轻微。

1944年10月参加捷一号作战，于10月24日锡布延海海战中，于14:16被航空母舰富兰克林（USS Franklin CV-13）及卡伯特（USS Cabot, CVL-28）的攻撃机的2枚炸弹击中。一发破坏了多座机枪和第一锅炉舱送风机，令其被迫熄火25分钟只能以三轴运转。另一发则破坏了无线电室及餐厅附近。令52名乘员死亡、106名负伤。

10月25日萨马岛海战中，06:01向美军航空母舰圣洛（USS St. Lo, CVE-63）进行炮击未取得战果。06:54美军驱逐舰赫尔曼(USS Heermann, DD-532)向榛名发射鱼雷，该鱼雷偏离榛名而航向大和与长门，大和两舷被鱼雷夹著且限制著回避空间（不幸的是鱼雷和大和的航速相同），迫使两舰向北回避航行约16公里。长门的主炮及副炮继续向美军航空母舰进行炮撃。09:20栗田中将命令中止炮撃并航向北方。10:20再次命令南进，但舰队遭到愈趋激烈的攻撃，在12:36再次下达撤退的命令。长门于12:43被2枚炸弹击中但损伤轻微。10月26日撤退后，联合舰队仍受到美军激烈的空袭。长门被大黄蜂（USS Hornet, CV-12）的舰载机4枚炸弹击中，38名乘员阵亡及105名负伤。长门在该日共发射了99发主炮弹及653发副炮弹。

1944年11月25日，长门回到神奈川县横须贺港，燃料、物资均不足，难以再次作远程航行。1945年2月受命执行沿岸防御任务，6月1日舰种变更为横须贺镇守府警备舰，其对空装备搬上陆地。1945年7月18日长门被航空母舰爱塞克斯（USS Essex, CV-9）、伦道夫（USS Randolph CV-15）、香格里拉（USS Shangri-la CV-38）及贝劳伍德（USS Beleau Wood, CVL-24）的舰载机攻撃，并被3枚炸弹命中，舰桥遭破壊，舰长大冢干少将战死，继任舰长是杉野修一大佐（旅顺港闭塞作战战死的“肉弹勇士”杉野孙七兵曹长之长子）。

日军投降后，长门于1945年8月30日被美军接收。1946年3月18日前往马绍尔群岛的比基尼岛，成为十字路口行动（美军的原子弹爆炸试验）的靶舰，舰长是W. J. 惠普尔（W. J. Whipple）上校。随行乘载180名美国海军士兵。移动途中曾停留于恩内威塔克环礁进行小修。

1946年7月1日进行的第一次实验（ABLE、空爆／引爆点位于预定地点上空）中，以战舰内华达号为中心，长门配置于距离预定引爆点400米处。原子弹于长门西方600米上方引爆，与预定引爆点距离约1.5公里（1,640码）。当时长门几乎无损（只有面向引爆点的装甲表面溶解而对航行不构成问题）。与长门同时作为实验靶舰的酒匂于翌日沉没。

7月24日的第二次实验（BAKER、水中引爆）中，长门距离原子弹引爆点约900-1000米的位置，造成右舷约5度的倾斜。即使如此，直到7月29日早晨，进行原爆实验的人员往长门所在海面看去，长门仍于海上漂浮。至7月29日夜间，长门在无人察觉之下安静地翻转沉没。

现在长门的沉没处成为潜水爱好者的地点，是宝贵的观光资源。虽然舰只已沉没，但在当时的“七大战舰”中，长门是唯一一艘仍然以完整形式存在的战舰.