Ngày 6 tháng 7 năm 1944, "Ōi" rời Surabaya hướng đến Manila. Ngày 19 tháng 7 năm 1944, trong vùng Biển Đông cách Hồng Kông 1.050 km (570 hải lý) về phía nam, "Ōi" bị chiếc tàu ngầm Mỹ "Flasher" phát hiện. Ở khoảng cách 1.280 m (1.400 yard), "Flasher" đã bắn bốn quả ngư lôi phía mũi tàu, và hai quả đã đánh trúng "Ōi" phía sau mạn trái. Một quả ngư lôi bị tịt ngòi, nhưng quả còn lại phát nổ làm ngập nước phòng máy. Sau đó "Flasher" tiếp tục bắn bốn quả ngư lôi phía mũi tàu ở khoảng cách 3.200 m (3.500 yard) nhưng tất cả đều bị trượt. "Ōi" chìm lúc 17 giờ 25 phút với đuôi chìm trước ở tọa độ . Tàu khu trục "Shikinami" đã cứu được Thuyền trưởng Shiba cùng 368 thành viên thủy thủ đoàn, nhưng 153 người khác đã chìm theo con tàu. Thuyền trưởng Đại tá Hải quân Shiba sau này là một trong số các đại biểu của Hải quân Đế quốc Nhật Bản tham gia lễ ký kết văn kiện đầu hàng chính thức trên thiết giáp hạm "Missouri" trong vịnh Tokyo vào ngày 2 tháng 9 năm 1945.