Почти тут же появилась очередная группа из 20 самолетов с «Эссекса», которая обрушилась на «Ямато» и «Мусаси». Поврежденный линкор начал постепенно отставать, так как его скорость снизилась до 20 узлов.
Тем временем к главным силам Хэлси подтянулась ОГ 38.4, которая присоединилась к атакам соединения Куриты. Наверное, именно это временно спасло соединение Нисимуры, которое больше не подвергалось воздушным атакам. «Энтерпрайз» и «Франклин» подняли 69 самолетов, и те в 14.55 атаковали японцев. Между прочим, пикировщики «Энтерпрайза» использовали 1000-фн бронебойные бомбы и добились еще нескольких попаданий в носовую часть «Мусаси». Во время этой атаки разрывом бомбы, попавшей в надстройку линкора, был тяжело ранен его командир контр-адмирал Иногути, который временно передал командование старшему помощнику капитану 1-го ранга Като. В корабль также попали 3 торпеды, и когда пилоты улетали, «Мусаси» имел ход не более 8 узлов и сильно сел носом. Однако отчаянными усилиями аварийные партии, которые понесли тяжелые потери, сумели кое-как спрямить корабль, и он даже набрал ход в 13 узлов. Но «Мусаси» был обречен, так как в 15.25 появилась сводная группа самолетов ОГ 38.2 и 38.4 — 75 машин. Последовали множественные попадания бомб и торпед, выдержать которые даже превосходная броня этого корабля не могла. Было затоплено левое внешнее турбинное отделение, «Мусаси» получил крен 10 градусов на левый борт, скорость упала до 6 узлов. И все-таки тонущий корабль продолжал тащиться вперед.
Однако все эти атаки убедили адмирала Куриту, что выполнить свою задачу ему не удастся, и в 15.30 он повернул свое соединение на обратный курс. Положение «Мусаси» к этому времени стало безнадежным. Если увеличение крена на левый борт еще удалось остановить, то дифферент на нос продолжал увеличиваться, хотя он уже достигал 8 м. В 16.21 соединение Куриты проходило мимо гибнущего «Мусаси», и адмирал мог все увидеть собственными глазами. Он отправил на помощь линкору крейсер «Тонэ» и 2 эсминца.
Контр-адмирал Ямагути решил выбросить корабль на берег ближайшего острова в попытке все-таки спасти корабль. Он приказал затопить внешнее турбинное отделение правого борта, чтобы выправить крен, теперь на линкоре остался всего один работающий вал. К 19.15 стало понятно, что «Мусаси» затонет в ближайшие минуты, крен на левый борт нарастал, вода начала заливать последнее турбинное отделение. В 19.30 корабль начал валиться на борт, и был отдан приказ команде спасаться. В 19.36 линкор перевернулся и вскоре затонул. Эсминцы спасли 1023 человека плюс еще 625 человек из команды потопленного ранее тяжелого крейсера «Майя», погибли 1400 человек. Принято считать, что «Мусаси» получил 19 торпедных попаданий (10 в левый, 9 в правый борт), 17 бомбовых попаданий, еще 18 бомб легли вплотную к борту. Скрупулезный анализ дает основания усомниться в этих цифрах, но все равно количество попаданий было очень велико. Любой другой линкор затонул бы гораздо раньше.