Le Katori retourne à Truk à la fin de 1941. Le , le vice-amiral Shimizu organise une réunion pour discuter des détails de l'invasion pour l'opération "R" (invasions de Rabaul et Kavieng), qui aura lieu les et .
Le , le Katori est attaqué à Kwajalein par des DouglasSBD Dauntless des VB-6 et VS-6 et par des Douglas TBD Devastator du porte-avions USSEnterprise. Le Vice-amiral Shimizu est blessé dans le raid et le Katori est endommagé. Il rentrera à Yokosuka pour être réparé. Le navire retourne à Kwajalein en mai, où il devient navire amiral de la 6e flotte le .
Le Katori retourne brièvement à Yokosuka en où une monture double de 25 mm Type 96 est montée sur la partie avant du pont. Il retourne à ensuite Truk tout en faisant plusieurs aller-retour à Yokosuka.
Après la chute de Kwajalein début février, le Katori est réaffecté au Commandement général d'escorte le .
Le Katori avait quitté Truk peu avant l'attaque, escortant le croiseur marchand arméAkagi Maru(en), les destroyers Maikaze et Nowaki et le dragueur de minesShonan Maru vers Yokosuka. Le groupe fut attaqué par des bombardiers-torpilleursGrumman F6F Hellcat et Grumman TBF Avenger des porte-avions Yorktown, Intrepid, Essex, Bunker Hill et Cowpens. L'Akagi Maru fut coulé et le Katori fut touché d'une torpille, subissant des dégâts mineurs. Plusieurs heures plus tard, le groupe fut repéré et attaqué par les cuirassés New Jersey et Iowa, les croiseurs Minneapolis et New Orleans, et les destroyers USSBradford et USS Burns(en). Les destroyers tirèrent six salves de torpilles sans succès sur le Katori. Il répondit avec une salve de torpilles qui fut également inefficace.
Au cours du combat qui s'ensuivit, le Katori fut touché au but par plusieurs salves de l'Iowa. Le navire coula par la poupe cinq minutes après à la position géographique 7° 45′ N, 151° 20′ E, à environ 40 milles (64 km) au nord-ouest de Truk. Un grand nombre de survivants furent aperçus dans l'eau après le naufrage, mais aucun d'eux ne furent secourus.
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