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三十年代中期長門級兩艦進行了大規模的現代化改造，包括拆除一個煙囪和改裝大艦橋。從一九二零年開始，到一九四零年大和號服役期間，整整二十年期間，長門級戰列艦是日本海軍最強大的戰艦，被看作日本海軍的象徵和最精銳的戰艦。長門號作為日本海軍聯合艦隊的旗艦，尤被看作非到最後關頭不得動用的最後王牌。根據這一思想，二戰期間，長門號和大和級都沒怎麼參加作戰行動。
一九四二年六月，長門和陸奧參加了中途島海戰，未能發射一發炮彈，海戰以日軍的慘敗而告終。
一九四四年雷伊泰灣海戰中，長門號參戰，編入粟田健男的第一進擊艦隊，未取得大的戰果，反而被美軍重創而在大戰剩餘時間失去行動力，停留在橫須賀修理廠直到戰爭結束。
長門號在戰爭後期多次遭到美軍飛機空襲。在日本投降時，它是唯一一艘處於可操作狀態的戰列艦。被美軍繳獲之後，一九四五年九月十五日從日本海軍序列中除名，於一九四六年七月在比基尼環礁成為“十字路口”原子彈試驗的靶艦。在A試驗（空中爆炸）中倖存，在B試驗（水面爆炸試驗）中受損嚴重，在水面漂浮五天後沉沒。陸奧號則在一九四三年六月八日在吳港外海的柱島泊地因三號炮塔彈藥庫爆炸而沉沒。一九四三年九月一日除名。戰後七十年代日本建造的第一艘原子能動力船隻，就命名為陸奧號。
一九四六年七月二十九日，長門號在比基尼島海域美國原子彈爆炸效果測試中被擊沉。
值得一提的是，開戰初期為日本海軍南征北戰打天下的航空母艦加賀號也是使用長門級的艦體，因華盛頓條約的限制而改為航空母艦，這樣雖然使它在開戰初期曇花一現，最終還是免不了進海底的份。
性能諸元：
排水量38,625噸(標準)/43,580噸(最大)
動力91,000馬力
載機3架浮筒式水上飛機
航速25節
主炮四座雙聯裝16.1英寸(409mm)
副炮5英寸(127mm)8座
高炮3英寸(76mm)4座,25mm98座(改裝後)
魚雷8座610mm發射筒,4座在水上,4座在水下
艦員標準1350人(戰時1480人)
扶桑級戰列艦
扶桑級戰列艦，是日本建造的第一級“超弩級”戰艦，即無畏艦。該級共有兩艘，扶桑號（Fuso），建於吳縣海軍造船廠，一九一二年三月十一日開工，一九一四年三月二十八日下水，一九一五年十一月十八日竣工。山城號（Yamashiro），建於橫須賀海軍造船廠，一九一三年十一月二十日開工，一九一五年十一月三日下水，一九一七年三月三十一日竣工。
在一九一零年的日本造艦計劃中，扶桑級戰艦原本要建造八艘，由於預算被刪減，只完成了扶桑號及山城號。
山城號是日本自行設計的第二艘戰艦，雖然改良了扶桑號的缺點，但是整體而言仍舊不理想，是故完成後原本還有兩艘同級的姊妹艦被重新設計為伊勢級戰艦。日本海軍造艦史上有許多因設計不良而浪費資源與付出人命的例子，山城號只是其中一例而已（龍驤號航母可說是另一例）。
扶桑級的主炮採用與金剛級戰列巡洋艦相同的三百六十毫米主炮，但由四座雙聯裝增加為六座雙聯裝，火力增加百分之五十，防護也比金剛級增強了不少。作為代價，航速降低到22節。同舊式戰列艦區別，其炮塔採用中央軸線布置。一號二號炮塔在艦橋前方；三號炮塔在一號煙囪前；四號炮塔在一號和二號煙囪之間；五號六號炮塔在後主桅後方。這樣布置的缺點是沒有改造的餘地。後來在三號炮塔上布置水上飛機彈射器時發現可利用的空間十分狹窄。山城號的彈射器布置在四號炮塔上。一九三五年大改造之後，取消了一號煙囪。在一戰之後，日本海軍總結英德日德蘭海戰的教訓，發現在遠距離艦隊炮戰中，甲板的裝甲防護十分重要。但是扶桑級的甲板比較薄，這是一個致命弱點。一九三五年倫敦海軍裁軍會議失敗，以及一九三六年華盛頓條約期滿作廢之後，日本海軍開始對舊戰列艦進行改造。
兩艘戰列艦服役之後，均加入日本海軍戰列艦第一戰隊。一九二七年，山城號進行了第一次的現代化改裝工程，完工之後，曾支援了多次的中國侵略作戰：如澎湖、秦皇島、舟山群島、青島、旅順、大連及高雄港均曾出現她的蹤跡。一九二七年第二次改造工程完工，山城號與扶桑號開始有明顯的差異（如第三號主炮山城朝後，扶桑則相反）。一九三八年一度被編入後備艦隊，負責官兵訓練方面的任務。
二戰初期，由於日本海軍燃油儲備緊張，均在柱島泊地“待機”。後曾經作為艦載機空襲的練習靶艦使用。中途島之役時，山城號曾參與北上支援阿留申群島的攻擊任務，之後到一九四四年九月以前，她成了日本海軍各兵科學校的教育訓練艦，期間曾入塢加強防空火力，防空機槍多得驚人。戰爭中期，由於日本海軍航母損失慘重，曾經計劃將這兩艘戰列艦同伊勢級一樣改裝成“航空戰艦”，但最後未果。一九四四年雷伊泰灣大海戰時，扶桑號和山城號均加入西村艦隊，預備於十月二十五日通過蘇里高海峽，對美軍在雷伊泰灣的登陸艦隊實施炮火打擊。於二十五日凌晨在蘇里高海峽口遭到奧登多夫指揮的美國海軍賓夕法尼亞、馬里蘭、加利福尼亞、田納西、西維吉尼亞和密西西比共六艘戰列艦的伏擊，以及驅逐艦、魚雷艇的魚雷攻擊，分別於一九四四年十月二十五日地點三十時和四點十九時沉沒。