太平洋战争爆发后，1942年“北卡罗来纳”号与“华盛顿”号相继加入美国海军太平洋舰队。1942年8月美军在瓜达尔卡纳尔岛登陆，“北卡罗来纳”号成为当时为航空母舰护航的唯一的一艘快速战列舰。在这次战斗中卓有成效的表现，为美国海军的快速战列舰奠定了它们的主要任务：为航空母舰编队提供对空掩护。
1942年11月14日“华盛顿”号在瓜达尔卡纳尔岛海域的夜战中，利用雷达的引导击沉日本海军“雾岛”号战列舰。1944年“华盛顿”号在一次碰撞事故中舰艏撞毁并更换了新舰艏。
在太平洋战争期间北卡罗来纳级两舰参加了大部分重大战斗活动，主要为航空母舰提供掩护与支援两栖登陆作战，参加了进攻吉尔贝特群岛、马绍尔群岛、马里亚纳群岛、关岛、硫磺岛、日本本土诸岛的战役。
“北卡罗来纳”号战列舰1947年退役。1961年在美国北卡罗来纳州费尔角河作为一艘战争纪念舰供人参观。“华盛顿”号于1960年拆毁。