Ab der Indienststellung wurde sie im Bereich um Guadalcanal eingesetzt. Kurz vor der Schlacht bei den Santa-Cruz-Inseln brach ein Feuer im Generatorraum aus. Die Flugzeuge wurden auf die Junyō gebracht und die Hiyō lief nach Truk zurück, um dort repariert zu werden.
Am 10. Juni 1943 wurde sie in der Nähe der Miyake-Insel von zwei Torpedos des amerikanischen U-Bootes USS Trigger in den Bug und die Kesselräume getroffen. Die Kesselräume 1 und 2 wurden überflutet. Die Mannschaft konnte die Hiyō so weit instand setzen, dass sie aus eigener Kraft nach Tateyama und weiter nach Yokosuka laufen konnte. Während sie repariert wurde, wurden ihre Flugzeuge auf der Ryūhō eingesetzt.
Am 19. und 20. Juni 1944 nahm sie an der Schlacht in der Philippinensee teil. Im Verlauf dieser Schlacht wurde die Hiyō am 20. Juni von einer Bombe auf der Brücke getroffen, wodurch der Kommandant Kapitän Yokio schwer verletzt und fast die gesamte Brückenbesatzung getötet wurde. Kurz darauf wurde sie von Torpedoflugzeugen angegriffen, und ein Torpedo traf in Höhe des rechten Maschinenraums. Das Schiff verlor rasch an Geschwindigkeit, konnte aber mit der linken Schraube weiterlaufen. Mehrere Feuer brachen aus, die rasch unter Kontrolle gebracht werden konnten. Wie bei der Taihō am Vortag verteilten sich jedoch Flugbenzindämpfe im Schiff und explodierten, wodurch das gesamte Heck in Brand gesetzt wurde. Um 19:32 Uhr sank die Hiyō. 1000 Mann der Besatzung konnten von Zerstörern gerettet werden.
Anthony J. Watts: Japanese Warships of the World War II. Ian Allan Publishing, Shepperton 1974, ISBN 0-7110-0215-0 (englisch).
Hansgeorg Jentschura, Dieter Jung, Peter Mickel: Warships of the Imperial Japanese Navy 1869–1945. US Naval Institute Press, Annapolis 1977, ISBN 0-87021-893-X (englisch).
