Au moment de l'attaque sur Pearl Harbor, le Nagatsuki rejoint le 22e division de la 5e escadron de destroyers (3e flotte), déployée depuis le district de garde de Mako (Pescadores) dans le cadre de la force d'invasion japonaise pour l'opération M, au cours duquel il assiste les débarquements des forces japonaises dans le golfe de Lingayen et à Aparri. Alors qu'il se trouvait dans le golfe de Lingayen, le Nagatsuki est attaqué par mitraillage par des avions de l'USAAF, tuant un membre d'équipage et en blessant cinq autres.
Épave du Nagatsuki près de Kolombangara, photographiée le .
Le jour suivant, au cours de la bataille du golfe de Kula, le Nagatsuki est gravement endommagé par un obus de six pouces. Le capitaine du navire, le capitaine de corvette Tameo Furukawa, l'échoue près du port de Bambari, à Kolombangara (8° 02′ S, 157° 12′ E), pour débarquer ses troupes. Malgré l'aide de son navire jumeauSatsuki, il s'avère impossible de le remorquer; il est alors attaqué et détruit le lendemain par l'aviation alliée. Les pertes de l'équipage font état de huit tués et treize blessés, les survivants rejoignirent à pied la base de l'armée impériale japonaise à Vila, près de Kolombangara.
Le Nagatsuki est rayé des listes de la marine le .
Conway's All the World's Fighting Ships 1922-1946, Greenwich, Conway Maritime Press, , 456 p. (ISBN0-85177-146-7)
Stephen Howarth, The Fighting Ships of the Rising Sun : The Drama of the Imperial Japanese Navy, 1895–1945, Atheneum, , 398 p. (ISBN0-689-11402-8)
(en) Hansgeorg Jentschura, Dieter Jung et Peter Mickel (trad. de l'allemand par Antony Preston & J.D. Brown), Warships of the Imperial Japanese Navy, 1869–1945 [« Japanischen Kriegsschiffe, 1869-1945 »], Annapolis, Maryland, United States Naval Institute, (ISBN978-0-87021-893-4, OCLC34017123)
