1943年伊势号、日向号被改装成航空战舰。拆除舰体后部的两座主炮炮塔，在原处的舰艉空间建起飞行甲板，飞行甲板下面是机库，计划搭载“彗星”(D4Y3)俯冲轰炸机和“瑞云”水上攻击机。飞行甲板长度70米，用于停放13架飞机，通过飞行甲板前端两舷与飞行甲板同高的弹射器起飞，飞机不能在短小的飞行甲板上降落。机库长度40米，可容纳9架飞机，飞行甲板后部安装一部升降机与机库相连，负责将机库内的飞机提升到飞行甲板上。拆除的主炮塔弹药库分别用来储存航空用弹药与燃料。140毫米口径副炮全部拆除，并强化防空火力。

伊势级改建完成后于1944年编入第3舰队第4航空战队。由于舰载机开发延迟以及当时飞行员奇缺，改建后只是装备几架水上侦察机，预定的飞机始终没有搭载上舰。此次应急性质的改装并不能算成功，虽然拥有战列舰火炮的同时又拥有了舰载飞机，但是飞机起飞后无法通过飞行甲板回收，只能降落到其他地方或降落在水面上用起重机回收，其效能受到比较大的限制，其飞行甲板前高大的上层建筑与烟囱的排烟会影响飞机起飞作业，而且战舰火炮的运作也受到限制。

1944年10月，两艘未携带飞机的伊势级航空战舰被编入小泽治三郎中将指挥的第三舰队「注1」，参加了莱特湾海战，其任务是作为诱饵部队，引诱美军航空母舰特混舰队前来攻击，掩护另外三支舰队攻击莱特湾盟军登陆舰队，这三支舰队包括：栗田健男中将指挥的第二舰队、西村祥治中将指挥的第二战队和志摩清英中将指挥的第五舰队。小泽治三郎中将所指挥的舰队驶入恩卡尼奥角附近海域时，被美军侦察机发现，随即遭到美军舰载机攻击，四艘航空母舰全部被击沉（该海战称为恩卡尼奥角海战）。伊势号、日向号虽然遭美军舰载机的猛烈攻击，但凭借其猛烈的防空火力却支撑到逃离战场，莱特湾海战以日本损失惨重而结束，伊势号、日向号返回了日本本土吴港。1944年11月，两艘伊势级航空战舰赴东南亚运送补给物资，1945年2月满载物资返回日本。在战争剩余时间里，由于燃油匮乏伊势号、日向号一直停留在港口中作为浮动炮台。1945年7月24日、28日，日向号、伊势号分别被美军舰载机炸沉在吴港中。1947年打捞解体。

注1：编有航空母舰：瑞鹤、千岁、千代田、瑞凤；航空战列舰：伊势、日向；轻型巡洋舰：大淀、多磨、五十铃；驱逐舰：秋月、初月、若月、霜月、桑、桐、杉、槇。

伊势（いせ）：以古国名，即日本东海道的伊势国命名，以奉祀天照皇大神的伊势神宫著称。1915.5.10开工，1916.11.12下水，1917.12.15完工，造船厂：神户川崎造船厂，舰籍：吴镇守府。1937.3现代化改装完工。1943.9.5改装为航空战舰（改装后搭载飞机22架），标准排水量35350吨。1945.7.28被美军飞机炸沉（坐沉）于吴港。1945.11.20除籍。1947年解体。

日向（ひゅうが）：以古国名，即日本西海道的日向国命名，有「朝日直射之国，夕阳斜照之国」之称。1915.5.6开工，1917.1.27下水，1918.4.30完工，造船厂：三菱长崎造船厂，舰籍：佐世保镇守府。1919.10日向号第3号主炮塔发生膛炸事故。1936.9现代化改装完工。1942.5.5日向号第5号主炮塔发生膛炸事故被炸毁。1943.11.18改装为航空战舰，标准排水量35200吨。1945.7.24被美军飞机炸沉（坐沉）于吴港。1945.11.20除籍。1947年解体。

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