Все четыре крейсера вошли в строй в период с 30 марта 1932 г. по 30 июня 1932 г. Их зарегистрировали в военно-морской базе Йокосука, во время войны корабли прописку не меняли. Крейсера типа «Такао» пришли на смену крейсерам типа «Миоко» в составе 4-й дивизии 2-го флота. С 31 мая 1932 г. по 2 июня 1938 г. четыре тяжелых крейсера неоднократно принимали участие в маневрах, походах и смотрах Императорского японского флота. Во время эксплуатации очевидной стала недостаточная остойчивость кораблей, что заставило командование флотом принять непростое решение о модернизации крейсеров. Крейсера «Такао» и «Агаго» прошли модернизацию в 1938–1939 г.г. После «незначительных доработок» флот получил фактически новые корабли с иным внешним обликом, намного превосходившие себя же самих до ремонта в отношении баланса скорости, защищенности и вооружения. В то же время модернизировать крейсера «Майя» и «Чокай» не спали.
После модернизации крейсера «Такао» и «Атаги» снова вошли в состав 4-й дивизии, которая крейсировала недалеко от побережья Китая, поддерживая операции японской армии на континенте. 20 сентября 1941 г. «Майя» сменил «Такао» в качестве флагманского корабля 4-й дивизии крейсеров, а вскоре развернулась подготовка к грядущей войне. В районе Пескадор крейсера 4-й дивизии соединились с линкорами «Конго» и «Харуна» 3-й дивизии, составив тем самым ядро Южных сил, которыми командовал адмирал Кондо. Флот Кондо осуществлял дальнее прикрытие операций в Малайе и на Борнео. В феврале 1942 г. «Такао», «Атаго» и «Майя» оставили на Палау в целях борьбы с подводными лодками, для чего на крейсерах смонтировали направляющие для сброса глубинных бомб.
После боев у порта Дарвин. Австралия, и острова Ява крейсера «Такао» и «Майя» ушли в Йокосуку на ремонт, в ходе которого на кораблях были установлены новейшие 127-мм универсальные орудия в двухорудийных башнях. Все четыре крейсера типа «Такао» некоторое время занимались боевой и политической подготовкой в водах Метрополии, после чего они (исключая крейсер «Чокай», отправленный на Трук в состав 6-й дивизии), эскортируемые легкими крейсерами «Юньо» и «Рюдзё», приняли участие в операции против Алеутских островов, которая проводилась с целью отвлечь внимание американцев от Мидуэя.
Когда американца высадились на Гуадалканале, крейсера 4-й дивизии («Такао», «Атаго» и «Майя») вместе с кораблями 5-й дивизии («Миоко» и «Хагуро») присоединились к авианосной группе адмирала Нагумо. Этот мощный японский флот сошелся в бою с американским соединением TF- 61 в сражении при Соломоновых островах. Все пять японских тяжелых крейсеров приняли участие в ночном бою с американскими кораблями, а в конце битвы при Санта- Круз приняли участие в потоплении авианосца «Хорнст».
В ночь с 14 на 15 ноября 1942 г. крейсера «Такао» и «Атаго» вместе со старым линкором «Киришима», а также эсминцами, были направлены для обстрела аэродрома Хендерсон-Филд. Однако японская эскадра встретила на своем пути линейные корабли флота Соединенных Штатов «Южная Дакота» и «Вашингтон». Оба американских линкора сконцентрировали огонь на японском линкоре «Киришима», два возможность обоим японскими крейсерам без помех вести стрельбу главным калибром. В «Южную Дакоту» тогда попало не менее 16 фугасных снарядов калибра 203 мм. выпушенных с дистанции всего в 5 км обоими японскими крейсерами. В том бою «Такао» вообще не пострадал, а «Атаго» получил повреждения средней тяжести. На «Киришиме» же возник сильнейший пожар, позже линкор затонул. «Южная Дакота» ушла с места сражения своим ходом, а на следующий день снова была готова принять участие в бою.
После того, затихла активность, связанная с эвакуацией гарнизона Гуадалканала, на крейсерах «Такао», «Майя» и «Атаго» в Йокосуке были установлены радиолокаторы тип 21 и строенные установки 25-мм автоматических пушек. Затем крейсера вернулись на Трук и приняли участие в операции Объединенного флота в районе атолла Эниветок. 5 ноября 1943 г. крейсера 4-й дивизии стояли на якоре с Симпсон-Харборе Рабаула, когда их неожиданно атаковали самолеты авианосцев Тэск Форс 38.