昭和17年5月、MO作戦においてMO機動部隊に編入されポートモレスビー攻略作戦の支援に当たり、8日米第17任務部隊と交戦した(珊瑚海海戦)。瑞鶴は米軍機の攻撃時スコールに身を隠したため損害は受けなかったが、多数の艦載機と搭乗員を失い、その再編のため日本本土へ戻った。そのためミッドウェー海戦には参加できなかった。ミッドウェー海戦で赤城など正規空母4隻を失ってからは、生き残りの正規空母として翔鶴とともに機動部隊の主力空母となった。またミッドウェー海戦の戦訓から、搭載機の編制も艦戦27、艦爆27、艦攻18に改められた。

南太平洋海戦

昭和17年8月、アメリカ軍のガダルカナル島上陸に呼応して「翔鶴」、「龍驤」らと共に南東方面へ進出。24日米第61任務部隊と交戦した(第二次ソロモン海戦)。10月26日には再度米機動部隊と交戦し、他艦と共同で「ホーネット」を撃沈した(南太平洋海戦)。昭和18年2月、ガダルカナル島からの撤退を支援した。

昭和18年後半は「瑞鶴」はトラック島に碇泊。9月17日に瑞鶴は他の艦艇と共に訓練のためトラック島を出港した。翌18日、米機動部隊がギルバート諸島タラワ、マキンを空襲したため、瑞鶴以下の日本艦隊はこの米艦隊攻撃に向かったが会敵できず23日にトラック島に帰投した。10月5日、6日今度はウェーク島を米機動部隊が空襲。17日日本艦隊はトラック島を出撃したがこの時も会敵できずに終わった。

また、4月のい号作戦、11月のろ号作戦では、陸上基地航空部隊の支援のため艦載機をラバウルへ進出させたが、後者では壊滅的な損耗を被り、これが次項のマリアナ沖海戦に悪影響を及ぼすことになる。

マリアナ沖海戦

昭和19年5月、あ号作戦準備のためギマラス泊地に移動。6月19日、20日マリアナ沖海戦に参加。米機動部隊を先制攻撃するも、レーダー・圧倒的多数の迎撃戦闘機・激烈な対空砲火により、発進させた艦載機を多数失い、それでいて米機動部隊にはほとんど損害を与えられなかった。翌20日の夕刻、追撃してきた米機動部隊の艦載機の空襲により、艦橋後部を小破した(これが瑞鶴が被った、初めての損傷である)。なお、この海戦で、姉妹艦翔鶴が潜水艦からの雷撃で撃沈されている。

レイテ沖海戦

10月、フィリピン・レイテ島に侵攻してきた米軍に打撃を与えるべく出撃した、栗田健男中将が指揮する第二艦隊(第一遊撃部隊)のレイテ湾突入を成功させるため、小沢治三郎中将が指揮する第三艦隊(機動部隊本隊。いわゆる囮艦隊)の旗艦としてフィリピン北東海面へ進出。25日、米第38任務部隊からの相次ぐ空襲により、ついに沈没した(エンガノ岬沖海戦)。

第一波の攻撃により、1本の魚雷が命中した。これにより機械室に浸水した。また送風装置の故障により機関室の温度が急上昇し在室不能となり、この結果2軸運転となった。また舵取装置も故障し、人力操舵となる。

第二波の攻撃までは約1時間の時間があり、その間も瑞鶴は囮の役目を果たすべく北上を継続した。なお戦闘中一時通信不能になったが、その後復旧し、米機動部隊の誘致に成功したことが発信されるが、その通信は栗田艦隊には届くことは無かった。

第二波の攻撃では、速力低下を来たしたことが致命傷に繋がり、その後5-6本の魚雷を受けた。また爆弾も5－7発命中し、揮発油タンクなどに引火した。対空火器は爆撃によって破壊されたり、動力を絶たれたりして使用不能となった。辛うじて残った右舷の高角砲が最期まで射撃を継続していたが、砲身が過加熱して焼けるなどして迎撃継続が困難となり、最終的に傾斜が増し旋回不能になり沈黙した。総員退艦が発令された後、瑞鶴は左に傾斜しながら艦尾から沈没した。沈没時には米軍機の攻撃は終了しており、総員退艦時に撮影された飛行甲板での写真は有名である。

なお、戦争中期以降は、各種電探を装備するとともに、25mm機銃(3連装機銃、単装機銃)が逐次増備されていった他、最終状態であるレイテ沖海戦時には、瑞鶴を空母以外の艦船にみせかけるための(内地での在泊中に、周りの山などに溶け込ませるためとの説もある)迷彩塗装が施されたり、12センチ28連装噴進砲(対空ロケットランチャー)8基が装備されていた。

奈良県橿原市の橿原神宮そばに航空母艦瑞鶴之碑、及び川崎重工が再現した三角マストのレプリカがある。