晨6时，“ヒ81”船队自伊万里湾启航，随行的航空母舰“神鹰”号在日间起飞2架九七舰攻作反潜警戒工作。本舰则与“神州丸”等各舰使用被动声纳探寻潜艇动向。然而，当时本舰的声纳发生了故障，因此在中雷时，本舰船员是采用目视观察的方式探察潜艇。15日正午，在五岛列岛附近海域，美海军潜艇“皇后鱼”号（SS-393）趁飞机警戒不备时混入船队中，并向“秋津丸”发射了两枚鱼雷。11时53分，鱼雷命中本舰左舷艉部并引爆其后部弹药库。中雷后本舰迅速向左倾覆沉没，共计2326人阵亡。沉没地点位于五岛列岛福江岛西北约40km海域