W chwili wprowadzenia do służby były to najpotężniejsze pancerniki, obecne w jakiejkolwiek flocie, co wiązało się z ich mocno zrównoważoną charakterystyką - były szybkie, przyzwoicie opancerzone i uzbrojone w rzadko jeszcze stosowane działa kalibru, który wedle powszechnego mniemania wynosił 406 mm. Tak też przez długie lata były opisywane w różnych źródłach. Rzeczywisty kaliber ich dział artylerii głównej wynosił jednak 410 mm, co zostało zatajone wobec postanowień konferencji waszyngtońskiej w 1922 roku (ograniczającej kaliber dział pancerników do 406 mm). Krótko mówiąc, już z końcem marca, zaraz po zakończeniu konferencji, opracowywany od 1914 roku projekt "45 Kokei 3 Nendo Shiki 41 cm ho" został oficjalnie przemianowany na "40 cm", co wobec braku innych źródeł informacji, niż oficjalne, w praktyce załatwiło sprawę i zapobiegło protestom współsygnatariuszy. Rzecz stała się jawna dopiero po wojnie, a i to zapewne nie od razu, przez co niejakie zamieszanie w źródłach daje się zauważyć do dziś (wcześniej także i tutaj).

W sierpniu 1925 roku został jednostką flagową Połączonej Floty, którą to funkcję pełnił (z przerwami na modernizacje i cykle szkoleniowe) aż do 12 lutego 1942 roku, kiedy zaszczyt ten przeszedł na nowy pancernik Yamato. W przeddzień wojny przebywał na kotwicowisku Hashirajima i to z jego pokładu admirał Yamamoto koordynował przygotowania do ataku na Pearl Harbor, tam też wyczekiwał meldunków o przebiegu operacji. 8 grudnia Nagato wyszedł wraz z zespołem w morze jako asysta powracającego zespołu lotniskówców.

W czasie bitwy o Midway i późniejszych akcji był tak samo, jak Mutsu, przydzielany do dalekich sił osłonowych, które pozostawały poza strefą walk. Gdy 8 czerwca 1943 doszło do eksplozji rufowych komór amunicyjnych na Mutsu, Nagato wracał akurat do Hashirajimy i jego dowódca dojrzał z odległości kilku mil ciężką chmurę dymu na atolem. Pancernik wszedł ponownie do akcji w sierpniu 1943, kiedy to został przeniesiony do bazy w atolu Truk. Pomimo szeregu rejsów nie napotkał ani razu nieprzyjaciela.

Pierwszy raz otworzył ogień do przeciwnika dopiero podczas drugiej bitwy na Morzu Filipińskim w czerwcu 1944 roku (wielkimi pociskami przeciwlotniczymi, wystrzeliwanymi z dział głównego kalibru). Nagato sam też był atakowany, nie odniósł wszakże żadnych uszkodzeń. Zdarzyło się to dopiero podczas bitwy na Morzu Sibuyan (kiedy to zatonął Musashi). Otrzymał wtedy dwa trafienia, tracąc 52 ludzi. W bitwie pod Samar wziął udział w ataku na lotniskowce eskortowe, nie odnosząc wszakże spektakularnych sukcesów.

Podczas powrotu do Brunei okręt był ponownie atakowany, odnosząc w ciągu dwóch dni kolejne uszkodzenia i tracąc 38 ośmiu zabitych. W połowie listopada został skierowany z powrotem do Japonii (wraz z Yamato i Kongo, który został zatopiony po drodze przez okręt podwodny USS Sealion). Więcej już podczas wojny nie wyszedł w morze. Brak materiałów uniemożliwiał remont, co łączyło się dodatkowo z brakiem paliwa. Nagato został przemianowany na pływającą baterię przeciwlotniczą.

Wtedy właśnie stracił komin i maszt, usunięte dla uzyskania lepszego pola ostrzału. W lutym okręt był już w na tyle złym stanie, że trzeba było go zaopatrywać z zewnątrz w elektryczność i parę. Załoga została zredukowana do około 1000 osób. 20 kwietnia Nagato stał się okrętem floty rezerwowej. Podczas ataków na japońskie porty w lipcu 1945 odniósł kolejne uszkodzenia, które jednak nie naruszyły jego pływalności. Ostatni rozkaz podjęcia akcji wobec przeciwnika otrzymał 1 sierpnia, ale w żaden sposób nie był w stanie go wykonać. Tak doczekał kapitulacji.

30 sierpnia oddział z pancernika USS Iowa przejął Nagato, który okazał się jedynym ocalałym (chociaż w kiepskim stanie) pancernikiem cesarskiej marynarki wojennej. 15 września został skreślony z listy floty, zaś jego nowi właściciele postanowili wykorzystać okręt do testów broni atomowej (razem z szeregiem własnych pancerników, lotniskowców i innych jednostek; trafił do tej grupy też niemiecki ciężki krążownik Prinz Eugen, jedyny większy okręt Kriegsmarine, który ocalał po upadku III Rzeszy). W połowie marca 1946 Nagato wyruszył o własnych siłach do atolu Eniwetok.