Pada saat penyerangan ke Pearl Harbor, ia dimasukkan ke dalam Divisi Penjelajah ke-7 dibawah komando Wakil Admiral Ozawa untuk menginvasi Malaya. Bersama dengan Mikuma, ia juga membantu misi invasi ke Sarawak dan mengawal pendaratan tentara Jepang di Kuching, Jawa, Borneo, dan Sumatra sampai dengan Januari 1942. Kemudian disusul oleh peristiwa Pertempuran Selat Sunda, pendudukan Kepulauan Andaman di utara Aceh, serta Indian Ocean Raid (sebagai bagian dari grup selatan)
Pada Pertempuran Midway, Mogami beserta ketiga adik-adiknya terlibat dalam sebuah skema kecelakaan tabrakan tak disengaja yang membuat keduanya rusak parah ketika melakukan manuver penghindaran dari pesawat pembom Amerika secara grup. Setelah diperbaiki di Truk, Divisi Penjelajah ke-7 ditempatkan dibawah komando Admiral Madya Shoji Nishimura dan divisi tersebut ditransfer ke Armada Ketiga.
Nishimura kemudian memerintahkan agar Mogami kembali ke Jepang dan diremodel menjadi kapal penjelajah pesawat terbang untuk membantu tugas Tone dan Chikuma menjadi "mata" bagi para kapal-kapal induk yang masih tersisa. Remodel tersebut memakan waktu hampir setahun, dimana setelah itu Mogami kembali terjun ke garis depan Kepulauan Solomon hanya untuk kembali ke Jepang lagi di akhir tahun 1943 untuk diperbaiki. Di peristiwa Great Marianas Turkey Shoot pun, Mogami kembali terluka karena serangan pesawat torpedo bomber Avenger dan memaksanya mundur dari pertempuran. Setelah kembali diperbaiki dan dimodernisasi di Jepang, ia ditempatkan di Asia Tenggara untuk berpatroli di sekitar Brunei Darussalam dan Singapura.
Nasib
Pertempuran terakhinya terjadi pada Pertempuran Teluk Leyte, tepatnya pada Pertempuran Selat Surigao dimana Armada Nishimura terkena perangkap armada Sekutu saat akan memasuki Selat Surigao malam harinya. Setelah berturut-turut menyaksikan tenggelamnya kapal tempur Fusou dan Yamashiro, kemudian disusul oleh kapal perusak Yamagumo dan Michishio, Mogami memerintahkan kapal perusak Shigure dan Asagumo untuk segera mundur dari medan pertempuran. Namun, nasib sial sepertinya tidak begitu jauh dari Mogami karena ia bertabrakan dengan Nachi (yang dikirim bersama dengan Ashigara untuk menyelamatkan Yamashiro, dan terlambat) dan menyebabkan mesin depannya berhenti bekerja. Lalu datanglah 17 pesawat pembom torpedo Avenger, dan menyerang Mogami yang sudah tak bisa bergerak lagi dan menjadi sasaran empuk.
Mogami tenggelam di sana pada tanggal 25 Oktober siang harinya setelah dibantu ditenggelamkan oleh kapal perusak Akebono.
