1945年8月11日に樺太の戦い (1945年)が始まった。当時日本領だった南樺太には40万人以上の民間人が居住しており、樺太庁は民間人の本土輸送を図った。日本の陸海軍も輸送に協力することとなり、第二号新興丸も他の14隻の艦船とともに大泊港からの緊急輸送を命じられた。8月15日の日本のポツダム宣言受諾発表後も8月23日にソ連軍が島外移動禁止を発令するまで輸送は継続され、船団を組む余裕も無く、各個に避難民を収容して北海道へ脱出した。第二号新興丸も大泊で民間人約3600人を収容すると8月20-21日の夜に単独で出航、9ノットの速力で小樽港へ向かった。8月22日午前5時過ぎに留萌北西沖に差し掛かったところで、正体不明の艦船を発見した直後に魚雷攻撃を受け、回避を試みたが右舷2番船倉に1発が命中した。これは留萌沖に偵察任務で派遣されたソ連潜水艦L-19で、続けて浮上砲撃を加えてきた。この時点で日本海軍はすでに一切の戦闘を禁じていたが、第二新興丸は便乗民間人の協力も得て12cm砲と25mm機銃による応戦を開始した。1発を相手潜水艦に命中させたとの説もある。第二号新興丸は通報により飛来した日本軍の水上偵察機1機に援護され、留萌港へ逃げ込むことに成功した。犠牲者数は死者250人・行方不明100人とも、遺体が確認できただけで298人とも言われる。なお、同様に小樽へ向かっていた小笠原丸と泰東丸も本艦と前後して留萌沖でソ連潜水艦の攻撃を受けいずれも撃沈されている（三船殉難事件）。