Au début de la guerre sino-japonaise, le Kitakami assura la couverture des opérations de débarquement des troupes japonaises. Dans la seconde moitié de 1941, il fut armé de dix lance-torpilles quadruples de 610 mm pour les attaques de torpilles de nuit. En 1942, le navire fut transformé en transport rapide pour escorter les convois de troupes. En 1944, le Kitakami fut touché par deux torpilles du sous-marin HMS Templar. Lors des réparations, le navire fut transformé en porte-avions Kaiten. En 1945, le croiseur fut endommagé par des bombardiers de la Task Force 38 et utilisé alors comme navire de ravitaillement.